Συγχώνευση πληροφορικής και ρομποτικής για τον εκσυγχρονισμό της επεξεργασίας ραδιοϊσοτόπων

By | January 12, 2024

BYLINE: Τζάρεντ Σαγκόφ

Σε μια νέα προσπάθεια εκσυγχρονισμού και βελτίωσης της παραγωγής ιατρικών ισοτόπων, επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) ξεκίνησαν ένα έργο που αξιοποιεί τη δύναμη της πιλοτικής ρομποτικής τεχνολογίας μέσω υπολογιστή. Το έργο στοχεύει στην αύξηση της ασφάλειας και της αναπαραγωγιμότητας, με ταυτόχρονη μείωση του κόστους.

Με νέα χρηματοδότηση από το DOE Office of Science, οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία διαγνωστικών και θεραπευτικών ραδιοϊσοτόπων που χρησιμοποιούνται στη θεραπεία του καρκίνου θα εκσυγχρονιστούν. Θα αντικαταστήσουν συστήματα που βασίζονται σε τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται από τη δεκαετία του 1940.

Αυτό το έργο, με επικεφαλής τον Argonne, είναι πολυεπιστημονικό. Περιλαμβάνει επιστήμονες και μηχανικούς από όλο το εργαστήριο, καθώς και καθηγητές και φοιτητές από τέσσερα κολέγια και πανεπιστήμια. Η χρηματοδότηση των 4 εκατομμυρίων δολαρίων σε μια περίοδο δύο ετών προέρχεται από τα προγράμματα Έρευνας Ισότοπων και Προηγμένων Επιστημονικών Υπολογιστών του Office of Science.

«Το να μπορούμε απλώς να χειριζόμαστε το δείγμα από όλη την αίθουσα σημαίνει ότι μπορούμε να χειριστούμε με ασφάλεια δείγματα έως και 10 φορές πιο ραδιενεργά χωρίς να απαιτείται η χρήση θερμών κυψελών. Αυτό αυξάνει σημαντικά την ικανότητά μας να παράγουμε αυτά τα πολύτιμα και απαραίτητα ισότοπα. — Ο φυσικός Argonne Jerry Nolen

Το Πρόγραμμα Ισότοπων DOE βοηθά στη χρηματοδότηση και την καθοδήγηση της έρευνας που απαιτείται για τη μεταφορά σημαντικών ιατρικών ισοτόπων από την αρχή στην αξιόπιστη παράδοση στους τελικούς χρήστες για προκλινικές και κλινικές δοκιμές.

Για τους ογκολόγους στην πρώτη γραμμή στη μάχη κατά του καρκίνου, αυτά τα ιατρικά ραδιοϊσότοπα αντιπροσωπεύουν ένα απαραίτητο όπλο. Το πλεονέκτημά τους έγκειται στην ικανότητά τους να στοχεύουν επιλεκτικά κακοήθεις όγκους, ενώ μειώνουν τις παράπλευρες βλάβες στους περιβάλλοντες υγιείς ιστούς.

Η προκαταρκτική έρευνα σε ορισμένα ραδιοϊσότοπα έχει δείξει πολλά υποσχόμενες προόδους στη θεραπεία του καρκίνου. Ως αποτέλεσμα, σε πολλές περιπτώσεις η ζήτηση για αυτά τα αναδυόμενα ισότοπα υπερβαίνει κατά πολύ τη διαθέσιμη προσφορά. Αυτό περιορίζει τον ρυθμό προόδου στην ανάπτυξη αυτών των προηγμένων θεραπειών για τον καρκίνο.

Η έρευνα και η παραγωγή ιατρικών ισοτόπων πραγματοποιείται επί του παρόντος σε εθνικά εργαστήρια και επιταχυντές πανεπιστημίων. Συμμετέχουν επίσης μια χούφτα ιδιωτικές εταιρείες.

Οι επιστήμονες δημιουργούν προσεκτικά αυτά τα ισότοπα ακτινοβολώντας στόχους που αποτελούνται από εμπλουτισμένα σταθερά ισότοπα. Τα επιθυμητά ραδιοϊσότοπα δημιουργούνται με πυρηνική μεταστοιχείωση. Ωστόσο, μια σημαντική πρόκληση προκύπτει όταν αυτά τα ραδιοϊσότοπα παράγονται στους στόχους. Οι πολύ μικρές ποσότητες χρήσιμων ραδιοϊσοτόπων που παράγονται πρέπει να διαχωριστούν χημικά από τη συνολική μάζα του υλικού στόχου και των ακαθαρσιών.

Ο ραδιοχημικός διαχωρισμός μπορεί να ακολουθήσει μία από τις δύο οδούς. Το ένα είναι η χειροκίνητη επεξεργασία σε επιτραπέζια μορφή σε ένα “ντουλάπι με γάντια”, αλλά αυτό περιλαμβάνει έκθεση σε ακτινοβολία για τους εμπλεκόμενους ερευνητές, περιορίζοντας την απόδοση των παρτίδων παραγωγής. Η άλλη οδός περιλαμβάνει τη θεραπεία σε ειδικά, βαριά θωρακισμένα «καυτά κύτταρα». Αυτά τα κύτταρα εξακολουθούν να χρησιμοποιούν μηχανικούς χειριστές από τη δεκαετία του 1940. Απαιτούν πολλή συντήρηση, είναι ακριβά και έχουν περιορισμένη μηχανική ικανότητα.

Το τηλεκατευθυνόμενο ρομποτικό σύστημα που σχεδιάζει να αναπτύξει η Argonne με αυτή τη νέα χρηματοδότηση θα εισαγάγει έναν νέο τύπο σταθμού επεξεργασίας ραδιοϊσοτόπων. Θα διαθέτει ένα «καυτό κουτί» που συνδυάζει βέλτιστα τα στοιχεία μιας θερμής κυψέλης και ενός κουτιού γαντιών, δήλωσε ο πυρηνικός φυσικός Argonne Jerry Nolen.

Άμεσος στόχος είναι η διεξαγωγή της βασικής έρευνας που είναι απαραίτητη για την αξιοποίηση των πρόσφατων εξελίξεων στην τηλελειτουργία. Αυτές περιλαμβάνουν νέες ρομποτικές τεχνολογίες, τεχνολογίες τρισδιάστατης όρασης, τρισδιάστατη δυναμική μοντελοποίηση με υπολογιστές υψηλής ταχύτητας και οικονομικά αποδοτικούς χειριστές υψηλής απόδοσης που επιτρέπουν πολύπλοκη απομακρυσμένη επεξεργασία.

«Απαιτούνται εξαιρετικά ευέλικτες δυνατότητες χειριστή για την εκτέλεση των πολύπλοκων λειτουργιών των ραδιοχημικών διαχωρισμών», δήλωσε ο Millicent Firestone, αναπληρωτής διευθυντής εργαστηρίου Argonne και ανώτερος επιστημονικός σύμβουλος για τις φυσικές επιστήμες και τη μηχανική.

«Το να μπορούμε απλώς να χειριζόμαστε το δείγμα από όλη την αίθουσα σημαίνει ότι μπορούμε να χειριστούμε με ασφάλεια δείγματα έως και 10 φορές πιο ραδιενεργά χωρίς να απαιτείται η χρήση θερμών κυψελών. Αυτό αυξάνει σημαντικά την ικανότητά μας να παράγουμε αυτά τα πολύτιμα και απαραίτητα ισότοπα», είπε ο Nolen.

Το νέο ρομποτικό hot box θα λειτουργεί εξ αποστάσεως χρησιμοποιώντας επαυξημένη πραγματικότητα. Ο χρήστης κάθεται μακριά από το ραδιενεργό δείγμα και χρησιμοποιεί τεχνολογίες τρισδιάστατης όρασης υπολογιστή και καθηλωτικής οθόνης για να δει το hot box. Προηγμένο λογισμικό θα χρησιμοποιηθεί επίσης για τον απομακρυσμένο έλεγχο ειδικά σχεδιασμένων ρομποτικών εξαρτημάτων που βρίσκονται μέσα στο hot box.

Ο επιστήμονας υπολογιστών Argonne Nicola Ferrier είπε ότι η τεχνολογία επαυξημένης πραγματικότητας πιθανότατα θα βασίζεται στην τεχνολογία Omniverse που αναπτύχθηκε από την αμερικανική εταιρεία Nvidia, σε συνδυασμό με τη βελτιστοποίηση μοντέλων για αλληλεπίδραση σε πραγματικό χρόνο. Ένα εμπορικά διαθέσιμο σετ μικροφώνου-ακουστικού θα παρέχει στον τηλεχειριστή μια τρισδιάστατη εικόνα εικονικής πραγματικότητας του εσωτερικού του hot box. Το Omniverse επιτρέπει την ανάπτυξη τρισδιάστατων ροών εργασίας χρησιμοποιώντας την Universal Scene Description (ένα ανοιχτό πρότυπο).

«Η ακριβής οπτικοποίηση σε πραγματικό χρόνο της απομακρυσμένης ραδιοχημικής επεξεργασίας στο hot box απαιτεί μια πολύπλοκη τρισδιάστατη ροή εργασίας ενσωματωμένη στο ρομποτικό σύστημα», είπε.

Το Argonne’s Young Soo Park έχει εμπειρία στην κατασκευή ρομποτικών χειριστών. Είπε ότι η εισαγωγή ενός ραδιενεργού περιβάλλοντος προσθέτει ένα άλλο επίπεδο πρόκλησης. «Η επιτυχής κατασκευή και λειτουργία αυτού του hot box απαιτεί μια διαδικασία πολλαπλών βημάτων για να γίνει η εμπειρία επαυξημένης πραγματικότητας διαισθητική για τον χρήστη», είπε. Ο Park ηγείται του προγράμματος ρομποτικής και απομακρυσμένων συστημάτων της Argonne στο τμήμα Εφαρμοσμένων Υλικών του Εργαστηρίου.

«Αυτή η νέα χρηματοδότηση θα επιτρέψει στην Argonne να εκσυγχρονίσει την υποδομή ιατρικών ισοτόπων της, φέρνοντας λύσεις αιχμής στην πυρηνική ιατρική», δήλωσε ο Kawtar Hafidi, αναπληρωτής διευθυντής εργαστηρίου Argonne για φυσικές επιστήμες και μηχανική.

Σύμφωνα με τον Nolen, ένας από τους στόχους του έργου είναι το Argonne και άλλες εγκαταστάσεις DOE να παράγουν σταθερές ποσότητες μιας ποικιλίας ισοτόπων. Από εκεί, το DOE θα μπορούσε να τα πουλήσει σε νοσοκομεία μέσω του προγράμματος Isotope.

Αυτό το έργο βασίζεται στις υπάρχουσες ρομποτικές και υπολογιστικές δυνατότητες στο Argonne, καθώς και σε συνεργασίες με τέσσερα κολέγια και πανεπιστήμια: Northwestern University, University of Illinois στο Σικάγο, Morehouse College και Florida A&M University. Αυτή η πολυϊδρυματική και πολυεπιστημονική ομάδα θα περιλαμβάνει επίσης φοιτητές και επιστήμονες και μηχανικούς πρώιμης σταδιοδρομίας. Η εστίαση θα είναι στην αύξηση της ποικιλομορφίας του αυριανού τεχνικού εργατικού δυναμικού.

Συγκροτήθηκε μια συμβουλευτική ομάδα αποτελούμενη από μέλη από τέσσερις ιδιωτικές εταιρείες για να συμβάλει στη διασφάλιση της ταχείας μετάβασης της υπό ανάπτυξη τεχνολογίας από τη βασική έρευνα στην εμπορική ανάπτυξη.

Εθνικό Εργαστήριο Argonne αναζητά λύσεις σε πιεστικά εθνικά προβλήματα στην επιστήμη και την τεχνολογία. Το πρώτο εθνικό εργαστήριο της χώρας, το Argonne διεξάγει βασική και εφαρμοσμένη επιστημονική έρευνα αιχμής σε σχεδόν κάθε επιστημονικό κλάδο. Οι ερευνητές Argonne συνεργάζονται στενά με ερευνητές από εκατοντάδες εταιρείες, πανεπιστήμια και ομοσπονδιακούς, πολιτειακούς και δημοτικούς φορείς για να τους βοηθήσουν να λύσουν τα συγκεκριμένα προβλήματά τους, να προωθήσουν την επιστημονική ηγεσία της Αμερικής και να προετοιμαστούν για το έθνος για ένα καλύτερο μέλλον. Με υπαλλήλους από περισσότερες από 60 χώρες, η Argonne διοικείται από την UChicago Argonne, LLC για λογαριασμό του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ είναι ο μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις Ηνωμένες Πολιτείες και προσπαθεί να αντιμετωπίσει μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση https://energy​.gov/​science.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *