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

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

ライセンス

• オープンアクセス
• 論文: CC BY 4.0

以下の内容はすべて、論文のライセンス（CC BY 4.0）に従い論文全文に基づいています。図は著者のクレジットを付けて掲載しています。

要約

MRI スキャナーが 5 mm の磁性カプセルの撮像と牽引の両方を行う。気泡が薬剤孔をふさぎ、MRI 誘導の集束超音波がそれを除去し、音圧が放出速度を決める。

重要な理由

本研究は MRI 駆動の磁気ナビゲーションと MRI 対応の音響トリガーを一つのシステムに統合しており、1 台のスキャナーで撮像、ロボットの移動、放出の開始が行える。著者は、ブタ小腸内でのナビゲーションが受動的なカプセルより約 2 桁速く、1 回の操作で複数の標的に放出できたと報告している。

課題

MRI スキャナーは磁性小型ロボットを撮像し、傾斜磁場コイルで牽引できるが、こうしたロボットにはナビゲーション以外の機能がほとんどなかった。スキャナーの磁場と RF の条件により、ほとんどの遠隔トリガーが使えないからである。磁気変形による放出には MRI コイルでは実現できない磁場制御が必要で、RF トリガーは撮像に干渉し、光は深部組織に届かない。MRI 誘導の HIFU による放出は、受動的な標的化でしか示されていなかった。

提案手法

1.5 mm の鋼製磁性コアと 500 µm の孔を 1 つだけ持つ 5 mm の 3D プリント製ポリマーカプセルが、孔に気泡を栓として捕捉する。7 T スキャナー上で改変したグラディエントエコーシーケンスが撮像用と作動用の傾斜磁場を交互にかけてカプセルを操舵し、2D ピエゾステージ上の MRI 対応 HIFU トランスデューサーが音響パルスで気泡を除去する。その後は音圧が放出速度を決める。

主な知見

• 疎水性に近い印刷製の殻にあけた孔が薬剤を封じる気泡を捕捉し、HIFU パルスで必要なときに除去できる。
• 必要な音圧は孔径が大きくなるほど下がり、壁厚が増すほど上がり、孔径に対してほぼ線形の関係にある。
• 音圧が放出速度を制御するため、同じカプセルで 1 回のナビゲーション中に複数の標的へ放出できる。
• 音圧が高いほど放出は速いが、音響放射力がカプセルを焦点から押し出すため、操作者は磁力でカプセルをその場に保持しなければならない。

主な結果

• 長さ 50 cm のエクスビボのブタ小腸内のナビゲーションは 5 回の試行で 44.2 ± 10.1 s かかり、平均 1.13 cm/s だった。アブストラクトではこれを最大 1.13 cm/s での移動と説明している。著者はこれを、受動的カプセルについて報告されている 0.025 cm/s と比較している。
• カプセルの気泡は音圧 1.25 MPa で除去された。
• カプセルが空になるまでの時間：1.4 MPa で 158 ± 18 s、1.9 MPa で 38 ± 5 s、2.4 MPa で 20 ± 2 s。
• MRI 駆動の位置決めと 1.4 MPa のパルスにより、U 字型のアガロース流路の 4 つの標的点すべてで薬剤を放出した。
• 4 °C で、気泡のないカプセルは 1 日以内に色素をすべて漏らしたが、気泡のあるカプセルは 4 日後も漏れがなかった。気泡は 500 rpm のマグネチックスターラーにも耐えた。
• 印刷した殻の材料上の水の接触角：81.48 ± 1.71°。

制限事項

• 小動物用スキャナーの空間の制約により、HIFU の焦点は 2D でしか制御できず、焦点距離は固定かつ限られている。
• 磁性コアのアーチファクトがカメラの視野と同じくらい大きいため MR 画像で薬剤放出を見ることができず、放出は推定した放出速度に基づくオープンループで制御される。
• カプセルを小型化するには、気泡除去と放出の流体力学の物理モデル、より細い薬剤充填用の針、音響放射力に対抗する方法が必要である。
• 試験は室温の in vitro で非生物学的な流体を用いて行われた。粘度、pH、組織の音響特性、動く臓器は放出を変えると予想されるが、まだ調べられていない。
• 複数標的への放出のデモでは、気泡のないカプセルと、目視確認のための MRI 環境対応カメラを用いた。

分野への影響

ICRA 2023 Outstanding Healthcare and Medical Robotics Paper 賞のファイナリストで、被引用数は 3。論文とともに公開されたコード、データ、設計ファイルはない。

概要

磁気共鳴画像（MRI）誘導のロボットシステムは、MRI 駆動の小型ロボットを含む新しい低侵襲医療ツールに大きな可能性をもたらす。MRI スキャナーの撮像ハードウェアを転用することで、磁性小型ロボットは有線の内視鏡ツールなしに患者の体内の奥まった部位へ誘導できる。しかし、最先端の MRI 駆動磁性小型ロボットは、ナビゲーション以外の機能が限られている。本研究では、MRI 誘導の高強度集束超音波（HIFU）が生み出す音響流の力を利用して薬剤放出を制御する、MRI 駆動の磁性小型カプセルロボットを提案する。設計は、直径 1 mm 未満の薬剤放出孔を持つポリマー製カプセル殻からなり、その孔に栓として機能する気泡を捕捉する。カプセルロボットが標的位置に到達すると、HIFU パルスで気泡を除去して薬剤放出を開始する。音圧を制御することで、ナビゲーション中に複数の位置を標的とするために薬剤放出速度も調節する。MRI 駆動の作動と HIFU 制御の放出を組み合わせることで、提案する磁性カプセルロボットがエクスビボのブタ小腸内を最大 1.13 cm/s の高速で移動し、1 回の操作で複数の標的部位へ薬剤を放出できることを実証した。提案する MRI 誘導のマイクロロボット薬剤放出システムは、オンデマンドの標的薬物送達を可能にすることで、低侵襲医療処置に大きな影響を与えるであろう。

リンク

• 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