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

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

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• Accès libre
• Article: CC BY 4.0

Tout ce qui suit s'appuie sur l'article complet sous sa licence CC BY 4.0 ; sa figure est montrée en citant les auteurs.

En bref

Un scanner IRM à la fois image et tire une capsule magnétique de 5 mm ; une bulle d'air obture son orifice de médicament jusqu'à ce que des ultrasons focalisés guidés par IRM la retirent, la pression fixant le débit de libération.

Pourquoi c'est important

Ce travail réunit la navigation magnétique actionnée par IRM et un déclenchement acoustique compatible IRM dans un seul système, de sorte qu'un seul scanner peut imager, déplacer le robot et déclencher la libération. Les auteurs rapportent une navigation dans l'intestin porcin environ deux ordres de grandeur plus rapide qu'avec une capsule passive, et une libération sur plusieurs cibles en une seule intervention.

Problème

Les scanners IRM peuvent imager un robot miniature magnétique et le tirer avec leurs bobines de gradient, mais ces robots n'ont guère eu de fonctions au-delà de la navigation, car les conditions magnétiques et RF du scanner excluent la plupart des déclencheurs à distance. La libération par déformation magnétique exige un contrôle du champ que les bobines IRM ne peuvent pas fournir, les déclencheurs RF perturbent l'imagerie et la lumière n'atteint pas les tissus profonds ; la libération par HIFU guidée par IRM n'avait été montrée qu'avec un ciblage passif.

Solution proposée

Une capsule en polymère imprimée en 3D de 5 mm, dotée d'un noyau magnétique en acier de 1,5 mm et d'un unique orifice de 500 µm, piège une bulle d'air dans l'orifice en guise de bouchon. Une séquence d'écho de gradient modifiée sur un scanner de 7 T alterne gradients d'imagerie et gradients d'actionnement pour diriger la capsule, et un transducteur HIFU compatible IRM monté sur une platine piézoélectrique 2D retire la bulle par une impulsion acoustique, après quoi la pression acoustique fixe le débit de libération.

Idées clés

• Un orifice dans une coque imprimée quasi hydrophobe piège une bulle d'air qui scelle le médicament, et une impulsion HIFU peut la retirer à la demande.
• La pression acoustique requise diminue quand le diamètre de l'orifice augmente et croît avec l'épaisseur de paroi, selon une relation presque linéaire avec le diamètre de l'orifice.
• La pression acoustique contrôle le débit de libération, si bien qu'une même capsule peut libérer sur plusieurs cibles au cours d'une seule navigation.
• Des pressions plus élevées libèrent plus vite, mais les forces de rayonnement acoustique écartent la capsule du foyer, si bien que l'opérateur doit la maintenir en place par force magnétique.

Principaux résultats

• La navigation dans un intestin grêle porcin ex vivo de 50 cm a pris 44,2 ± 10,1 s sur 5 essais, soit une moyenne de 1,13 cm/s ; le résumé décrit cela comme un déplacement jusqu'à 1,13 cm/s. Les auteurs le comparent aux 0,025 cm/s rapportés pour les capsules passives.
• La bulle d'air de la capsule a été retirée à une pression acoustique de 1,25 MPa.
• Temps de vidange de la capsule : 158 ± 18 s à 1,4 MPa, 38 ± 5 s à 1,9 MPa et 20 ± 2 s à 2,4 MPa.
• Le médicament a été libéré aux quatre points cibles d'un canal en agarose en forme de U, grâce à un positionnement actionné par IRM et à des impulsions de 1,4 MPa.
• Les capsules sans bulle ont perdu tout leur colorant en 1 jour à 4 °C, tandis que les capsules avec bulle ne présentaient aucune fuite après 4 jours ; la bulle a résisté à un agitateur magnétique à 500 rpm.
• Angle de contact de l'eau sur le matériau imprimé de la coque : 81,48 ± 1,71°.

Limites

• Seulement un contrôle 2D du point focal HIFU et une distance focale fixe et limitée, en raison de l'espace disponible dans le scanner pour petit animal.
• La libération du médicament n'est pas visible sur les images RM, car l'artefact du noyau magnétique est aussi grand que le champ de vision de la caméra ; la libération est donc commandée en boucle ouverte à partir de débits de libération estimés.
• Réduire la taille de la capsule exige un modèle physique du retrait de la bulle et de l'hydrodynamique de la libération, des aiguilles de chargement de médicament plus fines et un moyen de contrer les forces de rayonnement acoustique.
• Les tests ont utilisé des fluides non biologiques à température ambiante in vitro ; la viscosité, le pH, l'acoustique des tissus et le mouvement des organes devraient modifier la libération et n'ont pas été étudiés.
• La démonstration de libération sur plusieurs cibles a utilisé une capsule sans bulle d'air et une caméra adaptée à l'IRM pour une confirmation visuelle.

Impact sur le domaine

Finaliste du prix ICRA 2023 Outstanding Healthcare and Medical Robotics Paper, avec 3 citations. Aucun code, aucune donnée ni aucun fichier de conception n'est publié avec l'article.

Résumé

Les systèmes robotiques guidés par imagerie par résonance magnétique (IRM) offrent un grand potentiel pour de nouveaux outils médicaux mini-invasifs, notamment des robots miniatures actionnés par IRM. En réaffectant le matériel d'imagerie d'un scanner IRM, le robot miniature magnétique pourrait être guidé jusqu'aux parties éloignées du corps du patient sans recourir à des outils endoscopiques filaires. Cependant, les robots miniatures magnétiques actionnés par IRM de l'état de l'art ont une fonctionnalité limitée en dehors de la navigation. Nous proposons ici un robot capsule miniature magnétique actionné par IRM qui tire parti des forces de courant acoustique générées par des ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) guidés par IRM pour une libération contrôlée de médicament. Notre conception comprend une coque de capsule en polymère dotée d'un orifice de libération de diamètre submillimétrique qui retient une bulle d'air faisant office de bouchon. Nous utilisons l'impulsion HIFU pour déclencher la libération du médicament en retirant la bulle d'air une fois que le robot capsule a atteint l'emplacement cible. En contrôlant la pression acoustique, nous régulons également le débit de libération du médicament afin de cibler plusieurs emplacements au cours de la navigation. Nous avons démontré que le robot capsule magnétique proposé pouvait se déplacer à grande vitesse, jusqu'à 1,13 cm/s, dans un intestin grêle porcin ex vivo et libérer le médicament sur plusieurs sites cibles en une seule intervention, grâce à la combinaison d'un actionnement par IRM et d'une libération contrôlée par HIFU. Le système de libération de médicament microrobotique guidé par IRM proposé aura un fort impact sur les interventions médicales mini-invasives en permettant une administration ciblée de médicaments à la demande.

Liens

• arXiv 2301.07197: https://arxiv.org/abs/2301.07197
• DOI 10.1109/ICRA48891.2023.10161197: https://doi.org/10.1109/ICRA48891.2023.10161197
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2301.07197v1