MRI-powered Magnetic Miniature Capsule Robot with HIFU-controlled On-demand Drug Delivery

Autoren: Mehmet Efe Tiryaki, Fatih Doğangün, Cem Balda Dayan, Paul Wrede, Metin Sitti · ICRA 2023

Lizenzen

Open Access
Paper: CC BY 4.0

Alles Folgende stützt sich auf das vollständige Paper unter seiner Lizenz CC BY 4.0; die Abbildung wird mit Nennung der Autoren gezeigt.

Kurz gesagt

Ein MRT-Scanner bildet eine 5 mm große magnetische Kapsel ab und zieht sie zugleich; eine Luftblase verschließt ihr Wirkstoffloch, bis MRT-geführter fokussierter Ultraschall sie entfernt, wobei der Druck die Freisetzungsrate bestimmt.

Warum es wichtig ist

Die Arbeit vereint MRT-angetriebene magnetische Navigation mit MRT-kompatibler akustischer Auslösung in einem System, sodass ein einziger Scanner abbilden, den Roboter bewegen und die Freisetzung einleiten kann. Die Autoren berichten eine Navigation im Schweinedarm, die etwa zwei Größenordnungen schneller ist als bei einer passiven Kapsel, und eine Freisetzung an mehreren Zielen in einem Eingriff.

Problem

MRT-Scanner können einen magnetischen Miniaturroboter abbilden und ihn mit ihren Gradientenspulen ziehen, doch solche Roboter hatten über die Navigation hinaus kaum Funktionen, weil die magnetischen und HF-Bedingungen des Scanners die meisten Fernauslöser ausschließen. Freisetzung durch magnetische Verformung erfordert eine Feldsteuerung, die MRT-Spulen nicht leisten können, HF-Auslöser stören die Bildgebung, und Licht erreicht kein tiefes Gewebe; MRT-geführte HIFU-Freisetzung war bisher nur mit passiver Zielführung gezeigt worden.

Lösungsansatz

Eine 5 mm große, 3D-gedruckte Polymerkapsel mit einem magnetischen Stahlkern von 1,5 mm und einem einzigen Loch von 500 µm schließt im Loch eine Luftblase als Verschluss ein. Eine modifizierte Gradientenecho-Sequenz auf einem 7-T-Scanner wechselt zwischen Bildgebungs- und Aktuierungsgradienten, um die Kapsel zu steuern, und ein MRT-kompatibler HIFU-Wandler auf einem 2D-Piezotisch entfernt die Blase mit einem akustischen Impuls, wonach der Schalldruck die Freisetzungsrate bestimmt.

Wichtigste Erkenntnisse

Ein Loch in einer nahezu hydrophoben gedruckten Hülle schließt eine Luftblase ein, die den Wirkstoff abdichtet, und ein HIFU-Impuls kann sie bei Bedarf entfernen.
Der erforderliche Schalldruck sinkt mit wachsendem Lochdurchmesser und steigt mit der Wandstärke, in nahezu linearer Beziehung zum Lochdurchmesser.
Der Schalldruck steuert die Freisetzungsrate, sodass dieselbe Kapsel während einer Navigationsfahrt an mehreren Zielen freisetzen kann.
Höhere Drücke setzen schneller frei, doch akustische Strahlungskräfte schieben die Kapsel aus dem Fokus, sodass der Bediener sie mit Magnetkraft an Ort und Stelle halten muss.

Hauptergebnisse

Die Navigation in einem 50 cm langen Ex-vivo-Dünndarm vom Schwein dauerte über 5 Durchläufe 44,2 ± 10,1 s, im Mittel 1,13 cm/s; der Abstract beschreibt dies als Bewegung mit bis zu 1,13 cm/s. Die Autoren vergleichen dies mit 0,025 cm/s, die für passive Kapseln berichtet wurden.
Die Luftblase der Kapsel wurde bei 1,25 MPa Schalldruck entfernt.
Entleerungszeit der Kapsel: 158 ± 18 s bei 1,4 MPa, 38 ± 5 s bei 1,9 MPa und 20 ± 2 s bei 2,4 MPa.
Mithilfe MRT-angetriebener Positionierung und Impulsen von 1,4 MPa wurde an allen vier Zielpunkten in einem U-förmigen Agarosekanal Wirkstoff freigesetzt.
Kapseln ohne Blase verloren ihren gesamten Farbstoff innerhalb von 1 Tag bei 4 °C, während Kapseln mit Blase nach 4 Tagen keine Leckage zeigten; die Blase überstand einen Magnetrührer bei 500 rpm.
Kontaktwinkel von Wasser auf dem gedruckten Hüllenmaterial: 81,48 ± 1,71°.

Einschränkungen

Wegen des Platzes im Kleintierscanner nur 2D-Steuerung des HIFU-Fokuspunkts und ein fester, begrenzter Fokusabstand.
Die Wirkstofffreisetzung ist in MR-Bildern nicht sichtbar, weil das Artefakt des Magnetkerns so groß ist wie das Sichtfeld der Kamera; daher wird die Freisetzung anhand geschätzter Freisetzungsraten ohne Rückführung gesteuert.
Eine Verkleinerung der Kapsel erfordert ein physikalisches Modell der Blasenentfernung und der Hydrodynamik der Freisetzung, feinere Nadeln zum Befüllen mit Wirkstoff und eine Möglichkeit, akustischen Strahlungskräften entgegenzuwirken.
Die Tests verwendeten nicht biologische Flüssigkeiten bei Raumtemperatur in vitro; Viskosität, pH-Wert, Gewebeakustik und sich bewegende Organe dürften die Freisetzung verändern und wurden nicht untersucht.
Die Demonstration der Freisetzung an mehreren Zielen verwendete eine Kapsel ohne Luftblase und eine MRT-taugliche Kamera zur visuellen Bestätigung.

Wirkung auf das Fachgebiet

Finalist für den ICRA 2023 Outstanding Healthcare and Medical Robotics Paper Award, mit 3 Zitierungen. Mit dem Paper werden weder Code noch Daten oder Konstruktionsdateien veröffentlicht.

Zusammenfassung

Durch Magnetresonanztomographie (MRT) geführte Robotersysteme bieten großes Potenzial für neue minimalinvasive medizinische Werkzeuge, einschließlich MRT-angetriebener Miniaturroboter. Durch Umnutzung der Bildgebungshardware eines MRT-Scanners könnte der magnetische Miniaturroboter in entlegene Teile des Körpers des Patienten navigiert werden, ohne dass kabelgebundene endoskopische Werkzeuge nötig sind. Die MRT-angetriebenen magnetischen Miniaturroboter nach dem Stand der Technik haben jedoch über die Navigation hinaus nur begrenzte Funktionalität. Hier schlagen wir einen MRT-angetriebenen magnetischen Miniatur-Kapselroboter vor, der akustische Strömungskräfte nutzt, die durch MRT-geführten hochintensiven fokussierten Ultraschall (HIFU) erzeugt werden, um eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung zu ermöglichen. Unser Design besteht aus einer Polymer-Kapselhülle mit einem Wirkstoff-Freisetzungsloch mit Submillimeter-Durchmesser, das eine Luftblase einschließt, die als Verschluss dient. Wir verwenden den HIFU-Impuls, um die Wirkstofffreisetzung einzuleiten, indem die Luftblase entfernt wird, sobald der Kapselroboter den Zielort erreicht. Durch Steuerung des Schalldrucks regulieren wir außerdem die Freisetzungsrate, um während der Navigation mehrere Orte anzusteuern. Wir haben gezeigt, dass der vorgeschlagene magnetische Kapselroboter sich im Ex-vivo-Dünndarm vom Schwein mit hoher Geschwindigkeit von bis zu 1,13 cm/s bewegen und in einem einzigen Eingriff Wirkstoff an mehreren Zielstellen freisetzen kann, unter Verwendung einer Kombination aus MRT-angetriebener Aktuierung und HIFU-gesteuerter Freisetzung. Das vorgeschlagene MRT-geführte mikrorobotische Wirkstofffreisetzungssystem wird minimalinvasive medizinische Eingriffe stark beeinflussen, indem es eine gezielte Wirkstoffabgabe nach Bedarf ermöglicht.

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