Robotic Systems for Radiation Therapy

Robotic Systems for Radiation Therapy

Medical  robotics  is an exciting  and  relatively new  field. Robotics  plays  an important role in medical engineering.  Medical  robots  were initially  used  in the 1980s, in the field of urology. Robotic  arms  were  developed and  used   for  prostate  resection. They  can  also  be  highly specialized and  assist  in diagnosing and  treating patients. While  there  is still  much  more work  to be done,  using  robots  can enhance medical treatments in terms  of both  the quality and  accessibility of  care.  Using  robots  can  help  reduce human error  and  bring  highly specialized information to remote areas  without requiring physicians’ direct  intervention.

In radiation therapy, high-energy radiation from x-rays, gamma rays, neutrons, and other sources has  been  used  to kill cancer  cells and  shrink tumors. Radiation may  come  from  a machine  outside  the  body  (external-beam  radiation  therapy),  or  it  may  come  from radioactive  materials  placed  in  the  body  near  cancer  cells  (internal  radiation  therapy, implant radiation, or brachytherapy).

The usage  of robotic  systems to improve the cancer  treatment outcome is a new  field. This field overlaps with electronics, computer science, artificial intelligence, mechatronics, nanotechnology, and  bioengineering.   For  this  purpose, robots  can  be  used  in  medical facilities  to  perform different tasks  such  as  delivering radiation  sources, real-time tumor tracking during radiation delivery or external beam delivery.

The only product in the market for robotic  radiotherapy is CyberKnife Robotic Radiosurgery System.  The  robotic  system  has  provision for  so-called  real-time tracking during beam delivery. The device  itself is a 6MV linear  accelerator mounted on a six degree-of-freedom (DOF) Keller  und  Knappich Augsburg (KUKA) industrial robot.  This system  has  real-time image-guided control. Consequently, there is a significantly long time delay (about 200 ms) between the acquisition of tumor coordinates and repositioning to the linear  accelerator. The CyberKnife-KUKA robot  with  linear  accelerator end-effector is suited for radiation therapy to any  body  sites.   Its field  size is restricted to the  limited geometry of 12 discrete circular fields ranging from 5mm to 60mm in diameter. Therefore, the workspace is confined and  the radiation  therapy  community  has  not  fully  embraced  the  idea  of  using  an  industrial articulated robotic  manipulator yet.

The details  about  CyberKnife robotic  system  are not included in this chapter. Consequently, the basic idea is to present the novel research results in the field of robotic  radiation therapy and  its applications.

Brachytherapy robotics

Brachytherapy  is a method of treatment in  which  sealed  radioactive sources are  used  to deliver radiation at a short  distance by interstitial, intracavitary, or surface  application. With this mode  of therapy, a high  radiation dose  can be delivered locally to the tumor with  rapid dose falloff in the surrounding normal tissue.

Recently, several research groups have reported the investigation and development of the robotic systems for the prostate seeds implants, (Stoianovici et al., 2003), (Wei et al., 2004), (Fichtinger et al., 2006), (Yu et al., 2007), (Meltsner, 2007), (Meltsner et al., 2007), (Stoianovici et al., 2007), (Podder et al., 2007), (Salcudean et al., 2008), (Lin et al., 2008), (Moerland et al.,2008). The potential advantages of the robotic  seed implants include improving the accuracy of the needle placement and seed delivery, as well as improving the consistency of the seed implant. In medical, especially prostate brachytherapy, applications of robots, precise end- effector  position, steady state  and  positioning accuracy is required. In  such  applications, even small positioning errors  at the manipulator end-effector can have dangerous and  costly consequences, (Mavrodis et  al.,  1997). To  achieve   the  enhancements of  the  robotic  seed delivery, the robots need to be calibrated. Properly calibrated robotic systems have higher absolute positioning accuracy and  the  deposited seeds  positions correspond better  to  the ones  calculated in the  planning systems. The brachytherapy robots  are  usually ultrasound (US) or magnetic resonance imaging (MRI) guided. Generally, to improve needle placement and  seed  deposition in brachytherapy procedure several  methods have  been  presented in the literature, such as parameter optimization, different needle rotation techniques, robotic insertion,  force  modeling,  and  needle  steering  techniques.    Robot  assisted  therapeutic delivery systems are attractive for several reasons. The potential advantages are increased accuracy,  reduced  human  variability,  reduction  of  clinician’s  fatigue  and  reduction  of operation time.

There can be two methods for robotic needle insertion and seed deposition: single-channel approach  and  multi-channel  approach.  In  single-channel  approach  one  needle  can  be inserted at a time and  typically 2-5 seeds  along  the needle track are deposited in the prostate according to dosimetry plan. On the other hand, multi-channel system is capable of placing several  needles at the time. Thereby, seed delivery can be faster. Since prostate is not rigidly mounted, it can move  and  rotate  as well as unpredictably deform. When  several  needles are inserted concurrently, prostate will be uniformly pushed back symmetrically to more stable position and deformation of the tissue  can be better  estimated for precise  delivery.

In  the  following sections   two  brachytherapy  robotic   systems has  been  presented.  Both robotic  systems: single-channel and  multi-channel systems have  been  designed, developed and  manufactured in our research laboratories.

Single-channel brachytherapy robotic system

We have designed and developed a robotic system, named Endo-Uro Computer Lattice for Intratumoral Delivery, Implantation, and Ablation with Nanosensing (EUCLIDIAN).   The system consists  of a surgical module, a positioning module and  a electronic housing, as in Fig.

1.a. Kinematic Denavit-Hartenberg (DH) parameters of the system  are presented in Fig.1.b.

The platform connects the surgical module to the cart. The platform has provision for both translational and  rotational motion. The vertical  lift of the surgery module is motorized for ease of operation against gravitational effect. The supporting platform connects the surgical module to the cart. The surgical module consists  of two robotic  manipulators, i.e., two open kinematic chains  called  needling mechanism and  an ultrasound probe  driver with  five and two DOF, respectively.

a)  b) 

Fig. 1. a) EUCLIDIAN – image-guided brachytherapy robotic  system;  b) Kinematic DH

schema with  reference frames

System description

The  three  main  subsystems of  the  surgical module, Fig.  2, are:  1) Two  DOF  transrectal ultrasound (TRUS) probe  driver, three  DOF  robotic  gantry, and  two  DOF  needle inserter (denote by needling mechanism in Fig. 21.) with seed holder and seed pusher.

A brief  description of these  subsystems is provided in  the  following sections.  The  TRUS probe, which contains two transducers, transverse and sagittal planes can be translated and rotated separately by two motors fitted with high-resolution optical encoders. This enables imaging the prostate in transverse as well as in sagittal planes with  variable slice thicknesses or intervals, as thin as 0.1 mm.

Working ranges of motion of the TRUS probe  are 0–185 mm  and  -91° to +91° in translation and rotation, respectively. The TRUS probe can also be operated manually using the knobs; during this mode, the motors are disengaged automatically by electric clutches. There is a provision for  a  template holder at  the  end  of  the  TRUS  probe   driver, enabling manual takeover if required. A pair  of prostate stabilization needles can be placed with  angulation in both  sagittal and  coronal  planes to prevent the  obstruction of robotic  needle insertion. This approach has also been shown to produce significant improvement in prostate immobilization.

This  subsystem, which  features two  translational motions, x  and  y  direction, and  one rotational motion (pitch, i.e., the  rotation upward or downward about  the  x-axis), connects the needle driving module to the positioning platform. The motions are achieved by motors and  optical  encoders fitted  with the motors, Figs. 1 and  2.

The  range  of  motion is  62 mm  –  67  mm  in  the  x-y  direction. The  rotational range  for angulating the  needle is -5° to +5° to avoid  pubic  arch  interference and  to reach  the  target region  close to the TRUS probe.  The TRUS probe  motion and  the rest of the surgery module (gantry and  needle  driver) is decoupled, as they  are  two  separate open  kinematic chains, which  allow independent motions of the TRUS probe  and the needle.

Fig. 2. Surgical  module of EUCLIDIAN

Fig. 3. Needle driver and seed depositor of EUCLIDIAN robot

The needle driver is the most complex subsystem of the EUCLIDIAN, Fig. 3, as the degree of complexity is increased with  the  introduction of three  force-torque sensors, stylet  sensor, cannula  sensor,  and  whole  needle  sensor  for  cannula  rotation  and  autonomous  seed delivery system.  The  main  components of this  subsystem are:  1) stylet  driver, 2) cannula driver, 3) seed-cartridge holder, and 4) force-torque sensors. The cannula and the stylet are driven separately by two motors. The travel  ranges of both  the cannula and  the stylet  are 0–312 mm.  During the surgical procedure, the motions of the cannula as well  as of the stylet are autonomous in accordance with  the treatment plan; however, the clinician  must  approve the  movements  at  critical  points.  Our  custom-designed  seed  cartridge  can  hold  35 radioactive seeds. Accommodation of additional seeds posed some challenges for smooth functioning  of  the  seed  cartridge  due  to  spring  nonlinearity.  However,  after  careful investigation and adjustments, the seed cartridge is working satisfactorily.

The seed pusher, a flat ended stylet, is deployed to expel the seed out of the cartridge and  to deposit it at the planned location.  Every motion during the sequence of seed delivery is fully automatic; however, the clinician  is able to interrupt and/or manipulate the movements at any time using  a hand pendant. By monitoring the force data  from the sensor  installed at the proximal end of the stylet, Fig. 4, the seed removal from the cartridge to the cannula can be verified. A ten-button hand pendant provides the clinician  with  the authority and  freedom to  assert  control  of  the  surgery module at  any  desired time.  That  is,  the  clinician  can command each  of the  motors for  manipulating the  motion of various components of the surgical module, such as needle insertion, needle  rotation, seed deposition, x-y movement of the gantry, and  system  abort.

The three  DOF cart (two  translations and  a rotation about  the vertical  axis) provides gross

movement of  the  robotic  system   to  align  with  the  patient, while  the  six  DOF  platform enables finer  movement for  desired positioning and  orientation of  the  robot  in  three- dimensional (3D) space.

The computer, system  electronics, and  cable junctions are housed in the electronics housing, Fig. 1.   The  EUCLIDIAN’s  surgery module is fully  autonomous;  all the  motors are  fitted with  high-resolution optical  encoders and  precision gear  boxes.  The robot  is controlled by an  industrial computer, which  is proven to  be  robust and  reliable  for  working in  harsh industrial  environments  and  military  applications.  It  has  a  special  metallic  casing  for minimizing electromagnetic interferences.

Two  Galil  control  cards,  Model  DMC-  1842; Galil  Motion  Control, Inc.,  Rocklin,  CA,  are used:  One card  to control  the TRUS probe  driver and  gantry motions and  the other  card  to control  the  needle  driver and  the  seed  pusher. A robust and  stable  proportional, integral and derivative (PID) controller has been developed for controlling the motorized surgical module. We have  tuned the  PID  gains  in  such  a manner so that  the  system’s  stability is maintained when the  needle changes its  states  from  merely  position control  in the  air  to both  position and  force  control  mode  in the  patient’s body.  The needle can be driven at a maximum velocity  of approximately 100 mm/s; however, a lower  velocity,  60 mm/s, setting is used  as the default. A frame  grabber, FlashBus,  Integrated Technologies, Indianapolis, IN, is used for TRUS image capturing. Three force-torque sensors , Nano17, ATI Industrial Automation, Apex, NC and  M13, Honeywell, Morristown, NJ, are used  for needle insertion force  monitoring and  robot  control  feedback. Each  of the  motors is fitted  with  an  optical encoder, MicroMo  Electronics, Inc., Faulhaber Group, Clearwater, FL, which  can  provide final motion resolutions, considering gear ratios  and  screw leads,  of 0.0007 mm for gantry x- y translations, 0.004 mm  for stylet  and  cannula motions, and  0.005 mm  and  0.06° for TRUS probe  translation and  rotation, respectively.

Advanced control techniques

In the previous studies, it was concluded that the proper selection of the translational and rotational velocities  may reduce tissue  deformation and  target  movements by reducing insertion force,  (Buzurovic et al., 2008.a). Therefore, it can  be concluded that  the  insertion force  has  a  dominant influence on  the  needle  insertion, seed  deposition precision, and dosimetry distribution in brachytherapy procedure. In our  initial  work,  (Buzurovic et al.,2008.b) we  have  investigated tracking problem for  the  same  robotic  system  using  neural network approach. The  force  prediction model  was  introduced as well.  In this  article  we have introduced novel methods to control the brachytherapy robot with the lowest tissue deformation and  highest seed  precision delivery as the  ultimate goals.  In order to achieve the  desired  dynamic  behavior  of  the  robotic  system,  the  control  strategies  that  we implemented in the robotic  system  have a force prediction module. For the first one we have used an artificial neural network (ANN) and neural network predictive control (NNPC), (Buzurovic et al., 2010.a).

In  the  following  part  the  use  of  a  feedforward  model  predictive  control  (MPC)  was described. The purpose of this approach is to control  the reactive force which  is responsible for tissue  displacement. Also, as the second control  task was  to predict and  compensate the impact of the  measured and  unmeasured disturbances rather than  waiting until  the  effect appears at the output of the system  on the other  side. When  the reactive force is minimized, tissue  displacement decreases. The force  prediction control  was  also  used  to minimize the effect  of system time-delay. Because  of the  fact  that  this  procedure required an  accurate robot  system  model, it was  necessary to obtain  a more  precise  model.  That  is a reason for adopting the robotic  system  model  as a singular system  of differential equations.

Fig.  4  represents  the  contact  surface  where  reactive  force  appears  during  surgery.  A mathematical equation of contact surface is calculated using EUCLIDIAN robotic system software.

Φ(p)=0

Fig. 4. a) 3D representation of the contact  surface  (prostate gland) during insertion. b) 5DOF surgical module. Absolute and  local coordinate systems together with  generalized coordinates qi

Assume that the contact  surface  is a scalar functionΦ: RmR1,  Fig. 4a.

Φ(p) 0

(1)

The contact  force vector is:

D(p)λ                                                      (2)

λ is a scalar  multiplier for the constraint function and  D(p) is the gradient of the constraint function, described as in (3),

Dp Φ(p)

p

(3)

In the previous equation p∈ℜ3  is a position vector from the fixed reference frame to the constrained surface.  Additional constraint is p=Φ(q) at the contact  point.  The matrix  function J(q) is defined as the Jacobian matrix  function.

J(q Φ (q)

q

(4)

The influence of the contact  force to the system can be described as

M(q)q G(qτ J(qf                                                   (5)

where M(q) denotes the inertia matrix function and  is the vector  function which  describes coriolis, centrifugal and  gravitational effects. is a vector  of the generalized coordinates and τ is  the  torque vector.  Influence of  the  external contact forces  is  described by  factor f. Combining equations (1)-(5) the mathematical model of the system is

M(q)q G(qτ J(q)DM(q))λ(q ,τ )

(6)

After an appropriate transformation, equation (6) is transformed to its matrix form

    

System  (7) is  linearized at  the  surrounding point   where the  needle is  inserted into  the patient. The linearized mathematical model of the system is obtained, as follows

    

Ex(t) = Ax(t) + Bu(t) + d                                                 (8)

with  singular matrix E∈ℜn×n, and  vector  which  represents the  unmeasured disturbances such as needle deflection, tissue deformation and displacement, A∈ℜn×nB∈ℜm×rand represent the system state-space vector  and control  vector,  respectively, x∈ℜnu∈ℜr.

The  system defined by  (8) is  known as  a  singular system, descriptor system, semi-state system,  system  of  differential-algebraic  equations  or   generalized  state   space   system. They  arise  naturally in  many physical applications, such  as  electrical  networks, aircraft and  robotic  systems,  neutral  delay  and  large-scale  systems,  economics,  optimization problem and constrained mechanics. The matrices of linearized system (8) are defined as follow

Now  it is possible to find subspaces and  F, as in (Buzurovic et al., 2010.a), having in mind that  for state  space  X  the system equation (8) can be represented as the direct  sum  of and F,  X⊕ F. As a result of the matrix transformation applied to system (8), the slow and fast subsystems can be described by a mathematical formulation

x s  Ls xs  Bs u ds

x f   f   Bf

(10)

with   Ls  =  MA|S,  Lf     =MA|F,  Bs=PMB,  Bf=QMB,  ds=PMd  and   df=QMd  for  some  linear transformations Q and  P represented by matrices and  P, respectively. For that  case, the

initial  conditions are  chosen  to satisfy  x0s=P x0  and  x0f=Q  x0. The solution of system (10) is

x=xsxf

Now  it is possible to apply the MPC control,  Fig. 5, and  to investigate dynamical behavior of the  system. Disturbance is given  to  MPC  and  its  effect  is predicted and  compensated before the effect appears at the system output.

Fig. 5. Insertion force control  scheme  for the slow subsystem

In (Mills, 1988) is shown that the impulsive behavior of the system can be avoided using appropriate initial  conditions, defined by  x0s=P  x0   and  x0f=Q  x0.  By using   the  described approach the  fast  subsystem will  not  induce impulsive behavior. Moreover, it  can  be concluded as stated previously and  from  equation (11) that  there  is little  need  to find  fast feedback to eliminate the impulsive behavior. The necessary task was to find an appropriate feedback for the slow  subsystem. The control  scheme  for the slow  subsystem is represented in Fig. 5, as suggested in (Cobb, 1983).

Furthermore, when the MPC controller is applied, the main  objective  is to hold  the insertion force  at  the  predefined  acceptable reference value,  by  adjusting  the  control   signal  from actuators in order to minimize the  prostate displacement, i.e. the  reactive force which  acts upon the  tissue.  Using  this  approach it is possible to  decrease the  insertion force  during insertion  trajectory.  The  needle  displacement  is  an  unmeasured  disturbance  and  the controller provides feedback compensation for such disturbances. For the insertion force the controller provides feedforward compensation. Various noise effects can corrupt the measurements. The noise  could  vary  randomly with  a zero  mean,  or could  exhibit  a non- zero,  drifting  bias.  The  MPC  uses  a  filtering  method  for  removing  estimated  noise component. At the beginning of each sampling instant, the controller estimates the current system state. Accurate knowledge of the state improves prediction accuracy which  improves controller performances.

During the insertion passive force control  becomes active  and  keeps  passive insertion force close to the predefined minimal value.  When  the MPC control  approach was implemented it is possible to decrease the  insertion force,  as it is shown in Fig. 6. Also,  peaks  during the insertion  are   minimized.  These   conclusions  give   us   a  reason  to   believe   that   tissue deformation can be decreased better  than  using  the traditional PID control.

Fig. 6. Controlled force with MPC (red) and insertion force with  PID controller (blue)

Multi-channel brachytherapy robotic system

Multi-channel system is capable of placing several needles or even all needles at a time and thereby, it can be faster in delivering the seeds required for the treatment. A multi-channel delivery system can effectively avoid  the problem of gradual prostate swelling (i.e., edema) and   deformation,  which   occurs   while   depositing the  seeds   by  single   needle.  Since  the prostate is not rigidly mounted, the prostate can move and rotate as well as deform quite unpredictably, at every time a needle is inserted. But, when several needles are inserted concurrently, the prostate will be uniformly pushed back symmetrically to a more stable position and  the  deformation can better  be estimated for precise  delivery of seeds.  Thus, the  multi-channel system can overcome some  of the  drawbacks that  may  be encountered by the  single-channel robotic  systems. In this  part,  we  present our  Multichannel Image- guided Robotic  Assistant for Brachytherapy (MIRAB), which  is designed and  fabricated for prostate seed implantation. Currently, MIRAB can simultaneously rotate and insert 16 needles. The MIRAB is capable of inserting more  needles concurrently, if needle rotation is excluded.

System description

The MIRAB system shown in Fig. 7 consisted of five modules: (1) Rotary  Needle Adapter, (2) Surgical x-y Carrier, 3) Mounting and Driving Mechanism, (4) Seed Applicator, and (5) Transrectal Ultrasound (TRUS) Driver,  (Podder et al., 2010).

Rotary Needle Adapter can hold 16 needles with rotational capability. However, additional needles can  be  installed without provision for  rotation. Two  direct  current (DC)  motors rotate the  needle using  a  spur- gear  train.  It is known that  provision of needle rotation reduces the insertion force as well as organ (or target) deflection and deformation. For guiding the  extended needles (brachytherapy needles are  about 200mm  in  length and  1.27mm  or 1.47mm in diameter) a regular brachytherapy template is installed at the distal  end.

Fig. 7. MIRAB robotic  system

The needles can be simultaneously inserted using  one  of the  DC motors on the  Mounting and  Driving Module. Surgical  x-y  Carrier is  3-DOF  module carries  the  Seed  Applicator which   delivers seeds   and   withdraws  needle. Two  DC  servo   motors on  the  x-y  carrier provide motions to the Seed Applicator in x- and  y-direction, while  another DC servo  motor on  the  Mounting and  Driving module provide motion in  the  z-direction, i.e.  the  depth. Mounting  and  Driving  Mechanism  is  driven  my  two  DC  servo  motors  to  impart translational motion (along  z-direction) to  the  Needle Adapter and  Surgical  x-y  Carrier. Seed Applicator is a module which  is attached to the Surgical  x-y Carrier. A DC servo motor is  employed to  expel  the  seed  from  the  seed  cartridge. Transrectal Ultrasound  (TRUS) Driver is a module was originally developed for EUCLIDIAN system, Fig. 2). However, the MIRAB is designed in a way  so that  it can  be installed on the  EUCLIDIAN by taking the needling module away  from  the  EUCLIDIAN away.  This  interchangeability is of MIRAB and  EUCLIDIAN will  be very  convenient to  switch  from  a  single-channel system to  a multichannel system. TRUS can image  the prostate and  the relevant anatomies in transverse as well as sagittal planes.

All the  DC servo  motors are  fitted  with  high-resolution (up  to about 0.0007mm)  optical encoder, MicroMo Electronics, Inc., Faulhaber Group, Clearwater, FL. An industrial computer, Plans,  San  Diego,  CA,  is  used   for  controlling the  whole   system. Two  Galil control  cards,  Model  DMC-1842; Galil Motion  Control, Inc., Rocklin,  CA, are used.  All the desired motions are achieved by deploying a Proportional, Derivative and Integral (PID) controller.

Experimental results

The purpose of  the  following experiments is  to  evaluate performances of multichannel robotic  brachytherapy system designed for prostate seed implantation.

The developed multichannel robotic system is capable of inserting large number of needles concurrently and depositing seeds  automatically.

Fig. 8. MIRAB robotic  system, experimental setup

The experimental procedure, Fig. 8, is described in the following part.  For cannula, we used 18ga x 20cm Stainless  steel  BARD needle and  for stylet  Rev. A4, 304 Stainless  steel  needle Vita  Needle Company. Phantom was  prepared from  polyvinylchloride (PVC) plastic  and PVC+ hardener in the ratio 80% to 20%, respectively, MF Manufacturing, TX. Force measurements  were  performed  using  single-axis  force  sensor,  Model  13,  Honeywell Sensotech, Columbus, OH, installed on proximal end of the cannula. Deposited seeds were rounded  stainless  steel  dummy  seeds,  BARD.  Position  of  the  tip  of  the  needle  and consequently  depth  of  the  deposition  into  the  phantom  was  measured  using  optical encoders FAULHABER  MicroMo  HEDM5500J  series  5500, attached to  the  template stage and  seed  applicator motors. The  MIRAB  was  evaluated for  insertion speed of   5mm/s,10mm/s,  20mm/s,  40mm/s, 60mm/s and  80mm/s and  stylet  speed in the  range of 20-60 mm/s.  For  each  insertion speed we  recorded force  for  1, 2, 4, 8 and  16 needles installed together on the template stage.

Absolute seed placement error was 0.10mm (SD=0.11mm) in X and Y direction and 0.15mm (SD=0.12mm)  in Z direction for plan  with  16 needles and  64 seeds.  Relative  position error between seeds were  0.07mm (SD=0.05mm).  It can be seen in Fig. 9.a that  maximum insertion force for insertion speed of 40mm/s was in the case when 16 needles were  inserted together. For that case, maximum force value was 43N. Fig. 9.b represents the insertion force for the insertion speed of 80mm/s. Maximum insertion force for 16 needles was 52N. It can be concluded that  more  needles were  inserted in one insertion the force value  was  higher. But when 8 needles were  inserted in the same time maximum insertion force did not change. For insertion speed of 40mm/s and  80mm/s the insertion force was around 35N.  In Fig. 9.c and Fig.  9.d   insertion force  for  whole  range of the  insertion speed were  represented. In  the former case  8 needles were  inserted together while  in the  latter  16 needles were  inserted. The  insertion force  for  the  latter  case  was  about 7N  higher due  to  bigger  number of the inserted needles. However, it can be noticed that  force does  not  significantly change in the range  of insertion speed higher that  40mm/s (60mm/s or 80mm/s). The conclusion based on this fact is that insertion speed can be divided into two regions with different insertion parameters.

It  can  be  concluded that  the  average maximum insertion force  was  less  then  45N  for moderate speed range (insertion speed 40mm/s and  stylet  speed 30mm/s, 16 needles in the stage)  and  52N for high  speed range (insertion speed greater then  40mm/s and  stylet  speed 50mm/s,  16 needles in the  stage).  Insertion time  per  seed  was  5-8 seconds. Plan  delivery time for high speed range was 8min and  12min for moderate speed range.

The summary of conclusion is as follows.  It was  observed that  more  needles were  inserted together force value  was higher. However, when 8 and  16 needles were  inserted in the same time  maximum  insertion  force  did  not  change.  Furthermore,  force  did  not  change significantly in the  range  of insertion speed higher than  40mm/s. Consequently, insertion speed  range  can  be  divided  into  two  regions  with  different  insertion  parameters. Preliminary results reveal  that  MIRAB is efficacious for delivering seed  accurately. MIRAB can potentially be used  for image-guided robotic  brachytherapy.

Insertion force for insertion speed of 40mm/s

Insertion force for insertion speed of 80mm/s

50                                                                                                                           60

45

40

35                                                                                              1 needle               40

Text Box: Force [N]30                                                                                              2 needles

Text Box: Force [N]25                                                                                              4 needles             30

20                                                                                              8 needles

15                                                                                              16 needles           20

10

5

0                                                                                                                             0

1 needle

2 needles

4 needles

8 needles

16 needles

Insertion force for 8 needles

Insertion force for 16 needles

50                                                                                                                           60

45

40                                                                                                                           50

35                                                                                                   5mm/s

Text Box: Forc e [N ]Text Box: Forc e [N ]30                                                                                                   10mm/s

20mm/s

40mm/s

20                                                                                                   60mm/s

15                                                                                                   80mm/s

10                                                                                                                           10

5

0                                                                                                                            0

5mm/s

10mm/s

20mm/s

40mm/s

60mm/s

80mm/s

Fig. 9. a) Insertion force for different number of needles installed on the template stage, for insertion speed of 40mm/s. b) Insertion force for different number of needles installed on the template stage, for insertion speed of 80mm/s. c) Insertion force for different insertion speed;8  needles inserted in the same time. d) Insertion force for different insertion speed;  16 needles inserted in the same time

Robotic systems for real-time tumor tracking

Respiratory  and  cardiac  motions  induce  displacement  and  deformation  of  the  tumor- volumes in various internal organs. To accommodate this undesired movement and other errors, physicians incorporate a large margin around the tumor to delineate the Planning Target  Volume (PTV),  so  that  the  Clinical  Target  Volume (CTV)  receives  the  prescribed radiation dose  under any  scenario.  Consequently,  a  large  volume  of  healthy tissue  is irradiated and  sometimes it  is  difficult to  spare  critical  organs adjacent  to  the  tumor, (Buzurovic et al., 2010.b,c).

In  this  section  we  described a  novel  approach to  the  4D  Active  Tracking and  Dynamic Delivery  (ATDD)   incorporating  tumor  motion  prediction  technique.  The   proposed algorithm can predict the  tumor position and  the  robotic  systems are  able  to continuously track  the  tumor during radiation dose  delivery. Therefore a  precise   dose  is  given   to  a moving target while  the  dose  to  nearby critical  organs is  reduced to  improve patient treatment outcome. The efficacy of the proposed method has been investigated by extensive computer simulation, (Buzurovic et al., 2010.d, 2011.a).

Recently, several research groups are investigating various aspects of tumor tracking and developing tools  to deliver precise  dose  to moving target-volumes, (Ozhasoglu & Murphy, 2001), (Keall et al., 2006.a), (Benchetrit, 2000), (Vedam et al., 2004), (Sharp et al., 2004), (Schweikard et  al., 2000), (Kamino et  al., 2006), (D’Souza  & McAvoy,  2006), (Keall  et  al.,2006.b), (D’Souza et al., 2005), (Chung et al., 2006), (Podder et al., 2007, 2008), (Buzurovic et al., 2010.d, 2011.a). Generally, commonly practiced methods for compensating target/tumor motion can be  structured as:  (i)  breath-hold techniques, (ii) gating techniques, and  (iii) ATDD.  The ATDD  is the  most  effective  technique, but  it is the  most  challenging one.  The ATDD  can  be  accomplished in  three   different ways:  (1) using   the  multi-leaf collimator (MLC), (2) using  the treatment couch,  and  (3) using  the MLC and  the couch  simultaneously. However, each of them  has its own unique limitations.

For instance, MLC gating technique using  internal fiducials requires kilovoltage x-ray which delivers unwanted  radiation  dose   to  the  patient, and   additionally  gating  suffers   from severely low duty-cycle (only 30%-50%) and intensity modulated radiation therapy (IMRT) efficiency (only 20%-50%); all these lead to a 4- to 15-fold increase in delivery time over conventional treatment, (Keall et al., 2006.a). Therefore, it is of tremendous clinical  interest, if the radiation beam can be delivered with  higher duty-cycle (or almost continuously) while compensating for the target movement without exposing the patient to kilovoltage x-ray. Robotic systems can help in a great  deal solving this problem.

In  the  following  part   we  present  developed  dynamic equations of  motion  HexaPOD robotic couch. We applied the similar approach to one standard 3DOF robotic couch for radiation  treatment  (Buzurovic  et  al.,  2010.d).  In  addition,  we  presented  the  control approach and prediction module which is capable of compensating time delay of the mechanical system.

For  system dynamics, we  used  energy based  Lagrangian formulation. The  Lagrangian function of dynamic systems can be expressed as:

L = Kinetic energy (K) – Potential energy (P)                               (12) Thus, the general form of dynamic equations is

where, qRn   is  the  vector  of  generalized coordinates, and  τ is  the  generalized force  (or torque) applied to the system through the actuators.

The dynamical behavior of a 6DOF robotic  couch, has been investigated. Proposed approach is explained below.

Parallel robotic platform

The HexaPOD is a special type of Stewart Platform, i.e., a parallel robotic manipulator. The parallel robotic  mechanism consists  of a rigid  body  top plate,  or mobile  plate,  connected to a fixed  base  plate  and  is defined by  at  least  three  stationary points on  the  grounded base connected to six independent kinematic legs.  Typically, the  six legs  are  connected to both the  base  plate  and  the  top  plate  by universal joints  in parallel located at both  ends  of each leg.  The  legs  are  designed with  an  upper body  and  lower  body  that  can  be  adjusted, allowing each leg to be varied in length as in Fig. 10.

Fig. 10. HexaPOD robotic  couch, a) External isometric view with  moving coordinate system, b) External schematic view with  fixed coordinate system, c) Schematic of the leg

In  this  study, we  have  used  the  following notations for  modeling the  HexaPOD, i.e. the Stewart platform. Referring figure  2 we have  assigned an inertial frame  (X,Y,Z) at the center O of the  lower  platform, i.e. the  BASE,   and  assigned another moving coordinate system (x,y,z) at the center  of the top platform, i.e. the TOP. The BASE frame  is assigned and  called as fixed frame  and the TOP frame  is moving and  is called as moving frame.

To  specify  the  configuration of  the  6DOF  Stewart Platform, six  independent position- orientation variables are  needed.  Denote  the  position of the  origin  of the  TOP frame  with

x           y 

respect to  the  BASE frame [ p     p     p ]T  . The  orientation is not  defined by  the  standard

z

Euler  angles,  but  by rotating the  TOP  frame  first  about the  fixed  X-axis by α, then  about

fixed Y-axis by β and  finally  about Z-axis by γ. We denote RX(α), RY(β) and  RZ(γ) as the three matrices that represent three  basic rotations as follows:

o                x       Y ,     Z 

where C(.) =cos(.), and  S(.) = sin(.). This definition of the  orientation not  only  provides us with  a clear physical meaning but also avoids violating the one-to-one relationship between the system configuration and  the values of Xp-0, which  may cause  the Jacobian  matrix to lose its  rank,  even  if  the  system is  not  in  a  singular configuration. Thus,  the  position and orientation  of   the   upper  platform  is   specified  by   the   Cartesian  coordinate  system as X      = [ p   p  ,α , β , γ ].

Now,  the dynamic equations in Cartesian-space (or task-space) are expressed as:

The dynamic equations of motion for HexaPOD robotic  couch  have  been  discussed above. These  equations are  essential in  developing our  proposed dynamics-based coordinated control  system. In the  following part  it can  be seen  that  the  speeds for tracking are  slow. However, it was necessary to use dynamical model approach to fulfill strong requirements regarding the tracking accuracy. Since the tracking is impaired with a real-time radiation delivery, it  was  of  the  significant importance to  have  accurate model and  to  decrease possibilities for inaccurate radiation delivery during tracking.

Control and prediction

To track  the  tumor trajectory for optimal dose  delivery to the  CTV while  sparing normal tissue,  we propose PID control  for HexaPOD parallel robotic  platform.  The basic goal of the controller was to specify the desired trajectory of the couch for all tumor positions.  Block diagram of the decentralized coordinated dynamics-based closed-loop control strategy for HexaPOD robotic couch using prediction module PM, controller C and robotic couch T, is presented in Fig.11.

Xmot                              Xd                  ε

PM                   _

τξηs

C                       T

Xξη s

Fig. 11. Control schema for parallel robotic  platform

By taking this  approach it is possible to compare the  dynamical behavior of the  one of the most  suitable system for  4D  tracking.   In  the  proposed approach, the  trajectories of the tumor  motion  in  the  x,  y  and  z  directions  were  obtained  from  the  4D  Computer Tomography (CT) data  of real patients. These  task-space trajectories were  used  to generate joint-space motion trajectories for the robotic  systems.

Referring Fig. 11, we have denoted the following parameters:  Xmot is raw data of the tumor motion. Xmot   is the  input into  the  prediction module (PM). Output of the  PM is predicted value of the tumor motion Xd. Dynamic-based controller is denoted by C. Robotic couch is denoted by T. Input to the T module are desired forces  values  and  output is the motion of the robotic  table , denoted by Xξηs, which  compensate tumor motion.

Dynamic-based controller

To implement the proposed algorithms, we have used a PID control scheme. Dropping the subscripts, we can rewrite equation (21) as

where, Kis the integral gain. Thus, equation (26) ensures asymptotic decay of the transient errors  as well as reduction of steady-state errors.

Prediction module

Prediction module PM is developed to predict tumor motion and  to compensate errors  due to  delay  in  the  system  response.  Prediction  module  algorithm  uses  Xmot   to  calculate predicted value Xd. The system output Xξηs  is used for accuracy checking and fine tuning purposes.

Normalized Least  Mean  Square  (nLMS)  algorithm is adapted for  the  dynamic system to predict the position in three dimensions.  System delay td  is a parameter in the developed algorithm.

The nLMS algorithm belongs to the family of Least Mean Square LMS algorithms. The LMS algorithm is  an  adaptive algorithm presented by  Widrow and  Hoff  as  in  (Widrow & Walach,  1994)  and  (Chen,  1993).  The  LMS  algorithm use  iterative procedures to  make successive corrections to the  weight vector  towards the  negative direction of the  gradient vector.  As a result  minimal mean  square error  will be minimized. The LMS algorithm can be summarized as follows:

Input vector  is X(n)  = [x(n), x(n-1),…, x(nt+1)]T,  where is the  current algorithm iteration and is the tap number. Desired vector is D(n) = [d(n), d(n-1),…, d(nt+1)]T. Consequently, predicted vector  is Y(n)  = [y(n), y(n-1),…, y(nt+1)] T. Error  vector  is E(n) = [e(n), e(n-1),…, e(nt+1)]T. Filter vector  W(n) is used  to calculate predicted value  y(n). It is of the form W(n) = [w(n), w(n-1),…, w(n-t+1)] T. Predicted value  is

y(n(− 1)X(n)

(27)

where W(n1)H  is the hermitian transpose of W(n1). Thus, algorithm error  is

e1(n) =  d(n) – y(n).                                                        (28) Now,  filter vector  becomes W(n) =  W(n-1)+µ X(n)e(n), where µ is the learning rate.  In order

to ensure the stability of the algorithm it is necessary to adjust LMS to its normalized form nLMS. For the nLMS algorithm the filter vector  is:

(n(− 1)   µ X(n)e(n)

X(n)H X(n)

(29)

Furthermore, to  ensure accuracy of  the  prediction process, algorithm checks  difference between predicted value  y(t) and  system output Xξηs. We defined

e2(n) =  d(n) – Xξηs(n).                                                   (30) Finally,  prediction module calculates next position of the tumor, based  on algorithm which

incorporates nLMS error  e1(n) and  physical error  e2(n). Therefore, the resultant error  is sum of the prediction and  tracking error.

Simulation

The computer simulation results for HexaPOD robotic  couch have been presented in the Fig. 12 through Fig. 13 below.   Fig. 12 shows  position of the each HexaPOD leg during tracking task.  Combined motion of the  robotic  legs  results in  tracking the  desired trajectory. This means  that  the robotic  couch  will start  moving the legs according to the desired trajectory, obtained from 4D-CT. Combined motion of the HexaPOD legs will result in patient motion which has opposite direction of the tumor. Consequently, tumor will appear steady and the beam  will irradiate smaller PTV which  does  not include all possible tumor position during the respiratory cycle.

Fig. 12. HexaPOD legs positions during tracking

Fig. 13. Overall system errors;  a) εX, εYZ   in X, Y and Z directions for HexaPOD couch. b) The error  amplitudes for steady states

An average system error after the transient time was εXHYH ZH±0.2mm and 0.4mm for irregular motion pattern, Fig.13. The tracking error  cannot  be zero, but it can be kept  within the tolerable limit.

From  the  simulation  results  it  appeared  that  proposed  methods  could  yield  superior prediction and tracking of the tumor motion induced by respiratory motion.

Analyzing the simulation results it can be concluded that the robotic system show the same maximum tracking error  which  was  1mm.  Based  on  dosimetric studies, (Buzurovic et al.,2010.b,c) it was noticed that implementation of real-time tracking techniques can minimize irradiation to healthy tissues and  improve sparing of critical  organs. It was  shown in the studies that  the dosimetric effect on PTV and  CTV coverage, caused by the prediction error in tumor tracking procedure, is insignificant. Consequently, tumor tracking error for the described   proposed   method   will    not    compromise   patient   treatment   outcome. Implementation of the proposed technique can potentially improve real-time tracking of the tumor-volume to deliver highly conformal precise radiation dose at almost 100% duty cycle while minimizing irradiation to health tissues and sparing critical organs. This, in turn, will potentially improve the  quality of  patient treatment by  lowering the  toxicity level  and increasing survival.

In this study, we have  deployed a closed-loop PID control.  Adaptive control  can be a good choice because of the variability in the payload on the system, i.e., the weight of the patient. Results  of the adaptive control  applied to the proposed system can be found in (Buzurovic et al., 2011.b).

Conclusion

In this chapter the use of the robotic  systems in radiation therapy has been presented. It was shown that  robotic  systems can greatly influence to the current method of radiation therapy in both delivering radioactive material inside the cancerous tissue and in compensation of moving tumors during the  external beam  radiation therapy. The  presented systems are novel and the clinical applications of such systems will be near future in modern cancer treatments. It was  shown many  times  that  modern robotics  can  improve many  aspects of human work.  The presented robotics  systems are the example of the previous statement.