ترکیب علوم کامپیوتر و رباتیک برای نوسازی پردازش رادیوایزوتوپ

نویسنده: جرد ساگف

در تلاشی جدید برای نوسازی و بهبود تولید ایزوتوپ‌های پزشکی، دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده پروژه‌ای را آغاز کرده‌اند که از قدرت فناوری رباتیک کنترل‌شده توسط کامپیوتر استفاده می‌کند. هدف این پروژه افزایش ایمنی و تکرارپذیری در عین کاهش هزینه ها است.

به لطف بودجه جدید دفتر علوم DOE، فناوری‌های مورد استفاده برای پردازش رادیو ایزوتوپ‌های تشخیصی و درمانی مورد استفاده در درمان سرطان ارتقا خواهند یافت. آنها جایگزین سیستم های مبتنی بر فناوری مورد استفاده از دهه 1940 خواهند شد.

این پروژه به رهبری آرگون چند رشته ای است. این شامل دانشمندان و مهندسان از سراسر آزمایشگاه، و همچنین اساتید و دانشجویان از چهار کالج و دانشگاه است. 4 میلیون دلار بودجه در طول دو سال از طریق برنامه های ایزوتوپ و محاسبات علمی پیشرفته دفتر علوم تامین می شود.

“فقط به دست آوردن توانایی انجام دستکاری نمونه از سراسر اتاق به این معنی است که ما می توانیم با خیال راحت نمونه ها را تا 10 برابر رادیواکتیویته بدون نیاز به استفاده از سلول های داغ کنترل کنیم.” این به طور چشمگیری توانایی ما را برای تولید این موارد ارزشمند و ضروری افزایش می دهد ایزوتوپ ها” – جری نولن فیزیکدان آرگون

برنامه ایزوتوپ DOE به تأمین مالی و هدایت تحقیقات مورد نیاز برای ارائه پزشکی مهم کمک می کند ایزوتوپ ها از مفهوم تا تحویل قابل اعتماد به کاربران نهایی برای آزمایشات بالینی و بالینی.

برای انکولوژیست ها در خط مقدم نبرد با سرطان، این رادیوایزوتوپ های پزشکی یک سلاح ضروری هستند. مزیت آنها در توانایی هدف گیری انتخابی علیه تومورهای بدخیم با کاهش آسیب جانبی به بافت سالم اطراف نهفته است.

تحقیقات اولیه با برخی از رادیو ایزوتوپ ها پیشرفت های امیدوارکننده ای را در درمان سرطان نشان می دهد. در نتیجه، در بسیاری از موارد، تقاضا برای چنین ظاهر می شود ایزوتوپ ها بسیار بالاتر از عرضه موجود است. این امر سرعت پیشرفت در توسعه این درمان های پیشرفته سرطان را محدود می کند.

تحقیق و تولید پزشکی ایزوتوپ ها در حال حاضر در آزمایشگاه های ملی و شتاب دهنده های دانشگاهی در حال انجام است. چندین شرکت خصوصی نیز در این امر دخیل هستند.

دانشمندان با زحمت آنها را ایجاد می کنند ایزوتوپ ها با تابش اهداف متشکل از پایدار غنی شده ایزوتوپ ها. ایزوتوپ های رادیویی مورد نظر با تغییر شکل هسته ای ایجاد می شوند. با این حال، زمانی که این ایزوتوپ‌های رادیویی در اهداف تولید می‌شوند، یک چالش مهم به وجود می‌آید. مقادیر بسیار کمی از رادیو ایزوتوپ های مفید تولید شده باید از نظر شیمیایی از قسمت عمده مواد هدف و ناخالصی ها جدا شوند.

برش رادیوشیمیایی می تواند یکی از دو مسیر را طی کند. یکی از آنها پردازش دستی در یک جعبه دستکش است، اما این مملو از قرار گرفتن در معرض تشعشع برای محققان درگیر است که بهره‌وری دسته‌های تولید را محدود می‌کند. مسیر دیگر شامل پردازش در “سلول های داغ” بسیار محافظ و ویژه است. این سلول ها هنوز از دستکاری های مکانیکی دهه 1940 استفاده می کنند. آنها کاملاً تعمیر و نگهداری فشرده و گران هستند و قابلیت های مکانیکی محدودی دارند.

سیستم رباتیک کنترل از راه دور که Argonne قصد دارد با بودجه جدید توسعه دهد، نوع جدیدی از ایستگاه های پردازش رادیوایزوتوپ را راه اندازی خواهد کرد. جری نولن، فیزیکدان هسته ای آرگون، گفت: این جعبه دارای یک “جعبه داغ” است که عناصر یک سلول داغ و جعبه دستکش را به طور بهینه ترکیب می کند.

یک هدف فوری انجام تحقیقات اساسی لازم برای استفاده از پیشرفت های اخیر در راه دور یا دورکاری است. اینها شامل فناوری‌های جدید روباتیک، فناوری‌های بینایی سه بعدی، مدل‌سازی پویا سه بعدی با محاسبات پرسرعت، و دستکاری‌کننده‌های مقرون‌به‌صرفه و توانا هستند که پردازش پیچیده از راه دور را امکان‌پذیر می‌کنند.

Millicent Firestone، معاون مدیر آزمایشگاه Argonne و مشاور ارشد علوم فیزیکی و مهندسی، گفت: “قابلیت های دستکاری کننده بسیار انعطاف پذیر برای انجام عملیات پیچیده جداسازی رادیوشیمیایی مورد نیاز است.”

“فقط به دست آوردن توانایی انجام دستکاری نمونه از سراسر اتاق به این معنی است که ما می توانیم با خیال راحت نمونه ها را تا 10 برابر رادیواکتیویته بدون نیاز به استفاده از سلول های داغ کنترل کنیم.” این به طور چشمگیری توانایی ما را برای تولید این موارد ارزشمند و ضروری افزایش می دهد ایزوتوپ هانولن گفت.

جعبه داغ رباتیک جدید از راه دور و از طریق واقعیت افزوده کار خواهد کرد. کاربر دور از نمونه رادیواکتیو می نشیند و از فناوری دید کامپیوتری سه بعدی و نمایشگر غوطه ور برای تجسم جعبه داغ استفاده می کند. همچنین از نرم افزارهای پیشرفته برای کنترل از راه دور اجزای رباتیک ویژه طراحی شده در جعبه داغ استفاده خواهد شد.

Nicolas Ferrier، دانشمند کامپیوتر Argonne، گفت که فناوری واقعیت افزوده احتمالاً مبتنی بر فناوری Omniverse است که توسط شرکت آمریکایی Nvidia توسعه یافته است، همراه با بهینه‌سازی مدل‌های تعامل بلادرنگ. یک هدست خارج از قفسه به اپراتور از راه دور یک نمای واقعیت مجازی سه بعدی از داخل جعبه داغ می دهد. Omniverse توسعه گردش های کاری سه بعدی را با استفاده از توصیف صحنه جهانی (یک استاندارد باز) امکان پذیر می کند.

او گفت: «تجسم دقیق در زمان واقعی پردازش رادیوشیمیایی از راه دور در جعبه داغ نیازمند یک گردش کار سه بعدی پیچیده است که با سیستم روباتیک یکپارچه شده است.

پارک یانگ سو آرگون تجربه ساخت دستکاری های رباتیک را دارد. او گفت که معرفی یک محیط رادیواکتیو درجه دیگری از چالش را اضافه می کند. او گفت: «ساخت و راه‌اندازی موفقیت‌آمیز این جعبه داغ نیاز به یک فرآیند چند مرحله‌ای داشت تا تجربه واقعیت افزوده را برای کاربر بصری کند. پارک برنامه رباتیک و سیستم های راه دور Argonne را در بخش مواد کاربردی آزمایشگاه هدایت می کند.

کوتار حفیدی، دستیار مدیر آزمایشگاه علوم و مهندسی فیزیکی آرگون، گفت: «این بودجه جدید به Argonne اجازه می‌دهد تا زیرساخت ایزوتوپ پزشکی خود را مدرن‌سازی کند و راه‌حل‌های پیشرفته را برای پزشکی هسته‌ای به ارمغان بیاورد».

به گفته نولن، هدف این پروژه این است که Argonne و سایر تاسیسات DOE مقادیر ثابتی از مواد مختلف تولید کنند. ایزوتوپ ها. از آنجا، وزارت انرژی می تواند آنها را از طریق برنامه ایزوتوپی به بیمارستان ها بفروشد.

این پروژه بر اساس قابلیت‌های رباتیک و محاسباتی موجود در Argonne، به علاوه همکاری با چهار کالج و دانشگاه: دانشگاه نورث وسترن، دانشگاه ایلینویز در شیکاگو، کالج مورهاوس، و دانشگاه A&M فلوریدا ساخته شده است. این تیم چند نهادی و چند رشته ای همچنین شامل دانش آموزان و دانشمندان و مهندسان اولیه می شود. تاکید بر افزایش تنوع نیروی کار فنی در آینده خواهد بود.

یک تیم مشاوره با اعضای چهار شرکت خصوصی برای کمک به انتقال سریع فناوری در حال توسعه از مرحله تحقیقات پایه به استقرار تجاری ایجاد شده است.

آزمایشگاه ملی آرگون به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. اولین آزمایشگاه ملی کشور، Argonne، تحقیقات پایه و کاربردی پیشرو را در تقریباً هر رشته علمی انجام می دهد. محققان Argonne از نزدیک با محققین صدها شرکت، دانشگاه و سازمان های فدرال، ایالتی و شهرداری همکاری می کنند تا به آنها کمک کنند تا مشکلات خاص خود را حل کنند، رهبری علمی آمریکا را ارتقا دهند و کشور را برای آینده ای بهتر آماده کنند. با کارکنان بیش از 60 کشور، Argonne توسط مدیریت می شود UChicago Argonne, LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/scence.