3Dプリント：放射線治療と互換性のあるロボットシステム

出典: 中国3Dプリンティングネットワーク

「頭頸部がん治療におけるマルチマーカー位置特定のための放射線治療対応ロボットシステム」では、研究者らが放射線治療中の柔軟な首の保護の課題への取り組みについて議論しています。セラピーを受け、ロボットとの交流を通じて方向感覚の向上を目指します。治療中に首の柔軟性が問題を引き起こすのを防ぐために、医療専門家は受動的な固定キャップを使用して首の動きを防ぎ、位置を固定することがよくあります。研究者らは、時間が経っても、ケージの頸椎に沿った離れたランドマーク間の誤差は3～5 mmのままであると指摘した。頭部を体の他の部分から独立して配置することにより、頭部および首の治療において正確なターゲット設定が可能になります。「現在、これらの機械システムは日常の臨床診療には導入されていません。
これまで、放射線治療と互換性のあるシステムは他になかったため、著者らは自らこの問題を解決し、放射線治療に適したロボットシステムを開発することにした。「この新しいシステムでは、放射線治療に適さないすべてのコンポーネントが放射線照射野のはるか外側に配置され、新しいプラスチック製ギアボックスによって放射線アイソセンターの 40 μcm 下に配置されているため、リニアアクセラレータガントリーのクリアランスの問題が軽減されます」と研究者らは述べています。「ステッピングモーターからエンドエフェクターへの直接的な動力伝達から間接的な動力伝達への移行により、ナビゲーションを支援するために主にプラスチック製の補助位置フィードバックが導入されています。」

このシステムは、減衰測定と放射線画像撮影を使用して検証されています。ロボットシステムを設計する際、研究者たちは、必要な可動範囲を確保しながら構造をできるだけ小さくすることを決意しました。研究者らは患者の間に金属製のモーターを設置した。

放射線治療用ロボットシステムと完全に互換性があります。 (a) 既存の頭頸部癌治療ベッドに追加されたロボットシステム上の骨モデルの写真。 (b) 頭部/首部のプラスチック製コントローラ、プラスチック製ギアボックスと低摩擦ワイヤ、および放射線場外に配置されたステッピングモーターを含むロボットシステムの概略図。
彼らは、以下のものを含め、ほぼすべてのコンポーネントを 3D プリントしました。

ギアボックス
エンドエフェクタアセンブリ
シェル
取り付けブラケット

研究者らによると、Formlabs Form 2 プリンターと Objet Eden 260VS という 2 つの 3D プリンターが、このような部品を優れた方法で製造できるという。使用される材料には ABS があり、他の 3D プリンターを使用する場合は PLA が含まれます。また、患者の頭部を支える頭部・頸部コントローラのトッププレートは、炭素繊維強化プラスチックを加工して製造する必要があり、より高い強度が求められます。研究者らは、1.1～5.2 mmの範囲の異なる変位を持つ15のパスを含めました。

絶対位置決め誤差解析。 (a) 測定された絶対移動誤差（mm）の精度は0.7±0.3mmです。 (b) ヨー、ロール、ピッチの絶対回転誤差。精度はすべて 3° 未満です。

「このシステムは、臨床的に許容される空間的制約内で、患者の頭部をミリメートル未満の精度で位置決めすることができた。システム内の物質の計算された減衰は、目に見えるアーティファクトのない一連の放射線画像によって検証されたように、基準物質（骨組織）よりも低いHU値を示した」と研究者らは結論付けた。骨モデルによる位置決め精度の結果、デバイスの精度は 0.7 ± 0.3 mm であることが判明しました。さらに、CBCT イメージングとアライメント後の研究により、頭部と身体が別々に配置された場合でも、システムがさまざまな領域をアライメントできることが検証されました。今後の研究は、頭頸部がん患者に対する放射線療法の応用に焦点を当てる予定です。

CBCT 画像の独立した補正なしとロボットシステム支援による補正の比較。 (a、c、e) それぞれ C2、C4、T1 の独立した補正を行わない CBCT 画像。 (b、d、f) それぞれ C2、C4、T1 についてロボットシステムによって補正された CBCT 画像。 (g) スケルトン画像におけるC2、C4、T1の関心領域。

プログラム可能なシステムからセンサー技術、さらには家具デザインなどの業界の製造に至るまで、3D プリンティングとロボット工学は実際には多くの場合密接に関連しています。