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

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

Licenze

Open access
Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

Uno scanner RM sia acquisisce immagini sia trascina una capsula magnetica da 5 mm; una bolla d'aria tappa il foro del farmaco finché ultrasuoni focalizzati guidati dalla RM non la rimuovono, e la pressione stabilisce la velocità di rilascio.

Perché è importante

Il lavoro combina in un unico sistema la navigazione magnetica azionata dalla RM con un innesco acustico compatibile con la RM, così un solo scanner può acquisire immagini, muovere il robot e avviare il rilascio. Gli autori riportano una navigazione nell'intestino suino di circa due ordini di grandezza più rapida rispetto a una capsula passiva e il rilascio su più bersagli in un'unica operazione.

Problema

Gli scanner RM possono acquisire immagini di un robot magnetico in miniatura e trascinarlo con le loro bobine di gradiente, ma questi robot hanno avuto poche funzioni oltre alla navigazione, perché le condizioni magnetiche e RF dello scanner escludono la maggior parte degli inneschi remoti. Il rilascio basato sulla deformazione magnetica richiede un controllo del campo che le bobine RM non possono fornire, gli inneschi RF interferiscono con l'imaging e la luce non raggiunge i tessuti profondi; il rilascio tramite HIFU guidato dalla RM era stato mostrato solo con un targeting passivo.

Soluzione proposta

Una capsula in polimero stampata in 3D da 5 mm, con un nucleo magnetico in acciaio da 1,5 mm e un unico foro da 500 µm, intrappola nel foro una bolla d'aria che fa da tappo. Una sequenza gradient-echo modificata su uno scanner da 7 T alterna gradienti di imaging e di attuazione per guidare la capsula, e un trasduttore HIFU compatibile con la RM su una piattaforma piezoelettrica 2D rimuove la bolla con un impulso acustico, dopodiché la pressione acustica stabilisce la velocità di rilascio.

Idee chiave

Un foro in un guscio stampato quasi idrofobico intrappola una bolla d'aria che sigilla il farmaco, e un impulso HIFU può rimuoverla su richiesta.
La pressione acustica necessaria diminuisce all'aumentare del diametro del foro e cresce con lo spessore della parete, con una relazione quasi lineare rispetto al diametro del foro.
La pressione acustica controlla la velocità di rilascio, così la stessa capsula può rilasciare il farmaco su più bersagli durante un'unica navigazione.
Pressioni più alte rilasciano più rapidamente, ma le forze di radiazione acustica spingono la capsula fuori dal fuoco, quindi l'operatore deve tenerla in posizione con la forza magnetica.

Risultati principali

La navigazione in un intestino tenue suino ex vivo di 50 cm ha richiesto 44,2 ± 10,1 s su 5 prove, in media 1,13 cm/s; l'abstract lo descrive come uno spostamento fino a 1,13 cm/s. Gli autori lo confrontano con 0,025 cm/s riportati per le capsule passive.
La bolla d'aria della capsula è stata rimossa con una pressione acustica di 1,25 MPa.
Tempo di svuotamento della capsula: 158 ± 18 s a 1,4 MPa, 38 ± 5 s a 1,9 MPa e 20 ± 2 s a 2,4 MPa.
Il farmaco è stato rilasciato in tutti e quattro i punti bersaglio di un canale in agarosio a forma di U usando il posizionamento azionato dalla RM e impulsi da 1,4 MPa.
Le capsule senza bolla hanno perso tutto il colorante entro 1 giorno a 4 °C, mentre le capsule con bolla non hanno mostrato perdite dopo 4 giorni; la bolla ha resistito a un agitatore magnetico a 500 rpm.
Angolo di contatto dell'acqua sul materiale stampato del guscio: 81,48 ± 1,71°.

Limiti

Solo controllo 2D del punto focale HIFU e una distanza focale fissa e limitata, a causa dello spazio dello scanner per piccoli animali.
Il rilascio del farmaco non è visibile nelle immagini RM perché l'artefatto del nucleo magnetico è grande quanto il campo visivo della telecamera, quindi il rilascio è controllato ad anello aperto in base a velocità di rilascio stimate.
Ridurre le dimensioni della capsula richiede un modello fisico della rimozione della bolla e dell'idrodinamica del rilascio, aghi più sottili per il caricamento del farmaco e un modo per contrastare le forze di radiazione acustica.
Le prove hanno usato fluidi non biologici a temperatura ambiente in vitro; ci si attende che viscosità, pH, acustica dei tessuti e organi in movimento modifichino il rilascio, e ciò non è stato studiato.
La dimostrazione del rilascio su più bersagli ha usato una capsula senza bolla d'aria e una telecamera resa compatibile con la RM per la conferma visiva.

Impatto sul settore

Finalista dell'ICRA 2023 Outstanding Healthcare and Medical Robotics Paper award, con 3 citazioni. Con l'articolo non sono rilasciati codice, dati o file di progetto.

Abstract

I sistemi robotici guidati dalla risonanza magnetica (RM) offrono un grande potenziale per nuovi strumenti medici mininvasivi, tra cui i robot in miniatura azionati dalla RM. Riutilizzando l'hardware di imaging di uno scanner RM, il robot magnetico in miniatura potrebbe essere navigato fino alle parti remote del corpo del paziente senza bisogno di strumenti endoscopici vincolati da cavi. Tuttavia, i robot magnetici in miniatura azionati dalla RM allo stato dell'arte hanno funzionalità limitate oltre alla navigazione. Qui proponiamo un robot capsula magnetico in miniatura azionato dalla RM che sfrutta le forze di streaming acustico generate da ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU) guidati dalla RM per il rilascio controllato di farmaci. Il nostro progetto comprende un guscio di capsula in polimero con un foro di rilascio del farmaco di diametro submillimetrico che trattiene una bolla d'aria con funzione di tappo. Usiamo l'impulso HIFU per avviare il rilascio del farmaco rimuovendo la bolla d'aria una volta che il robot capsula raggiunge la posizione bersaglio. Controllando la pressione acustica, regoliamo anche la velocità di rilascio del farmaco per colpire più posizioni durante la navigazione. Abbiamo dimostrato che il robot capsula magnetico proposto poteva muoversi ad alta velocità, fino a 1,13 cm/s, in intestino tenue suino ex vivo e rilasciare il farmaco in più siti bersaglio in un'unica operazione, usando una combinazione di attuazione tramite RM e rilascio controllato tramite HIFU. Il sistema microrobotico di rilascio di farmaci guidato dalla RM proposto avrà un forte impatto sulle procedure mediche mininvasive, consentendo una somministrazione mirata di farmaci su richiesta.

Link

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