Purpose

 To demonstrate the computed tomography, conformal irradiation, and treatment planning capabilities of a small animal radiation research platform (SARRP). 

Methods and Materials

 The SARRP uses a dual-focal spot, constant voltage X-ray source mounted on a gantry with a source-to-isocenter distance of 35 cm. Gantry rotation is limited to 120° from vertical. X-rays of 80–100 kVp from the smaller 0.4-mm focal spot are used for imaging. Both 0.4-mm and 3.0-mm focal spots operate at 225 kVp for irradiation. Robotic translate/rotate stages are used to position the animal. Cone-beam computed tomography is achieved by rotating the horizontal animal between the stationary X-ray source and a flat-panel detector. The radiation beams range from 0.5 mm in diameter to 60 × 60 mm². Dosimetry is measured with radiochromic films. Monte Carlo dose calculations are used for treatment planning. The combination of gantry and robotic stage motions facilitate conformal irradiation. 

Results

 The SARRP spans 3 ft × 4 ft × 6 ft (width × length × height). Depending on the filtration, the isocenter dose outputs at a 1-cm depth in water were 22–375 cGy/min from the smallest to the largest radiation fields. The 20–80% dose falloff spanned 0.16 mm. Cone-beam computed tomography with 0.6 × 0.6 × 0.6 mm³ voxel resolution was acquired with a dose of <1 cGy. Treatment planning was performed at submillimeter resolution. 

Conclusion

 The capability of the SARRP to deliver highly focal beams to multiple animal model systems provides new research opportunities that more realistically bridge laboratory research and clinical translation.

Magnetic resonance imaging (MRI) can provide high-quality 3-D visualization of prostate and surrounding tissue, thus granting potential to be a superior medical imaging modality for guiding and monitoring prostatic interventions. However, the benefits cannot be readily harnessed for interventional procedures due to difficulties that surround the use of high-field (1.5T or greater) MRI. The inability to use conventional mechatronics and the confined physical space makes it extremely challenging to access the patient. We have designed a robotic assistant system that overcomes these difficulties and promises safe and reliable intraprostatic needle placement inside closed high-field MRI scanners. MRI compatibility of the robot has been evaluated under 3T MRI using standard prostate imaging sequences and average SNR loss is limited to 5%. Needle alignment accuracy of the robot under servo pneumatic control is better than 0.94 mm rms per axis. The complete system workflow has been evaluated in phantom studies with accurate visualization and targeting of five out of five 1 cm targets. The paper explains the robot mechanism and controller design, the system integration, and presents results of preliminary evaluation of the system.

In retinal microsurgery, surgeons are required to perform micron scale maneuvers while safely applying forces to the retinal tissue that are below sensory perception. Real-time characterization and precise manipulation of this delicate tissue has thus far been hindered by human limits on tool control and the lack of a surgically compatible endpoint sensing instrument. Here we present the design of a new generation, cooperatively controlled microsurgery robot with a remote center-of-motion (RCM) mechanism and an integrated custom micro-force sensing surgical hook. Utilizing the forces measured by the end effector, we correct for tool deflections and implement a micro-force guided cooperative control algorithm to actively guide the operator. Preliminary experiments have been carried out to test our new control methods on raw chicken egg inner shell membranes and to capture useful dynamic characteristics associated with delicate tissue manipulations.