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

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

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

MRI 스캐너가 5 mm 자기 캡슐을 영상화하는 동시에 끌어당긴다. 공기 방울이 약물 구멍을 막고 있다가 MRI 유도 집속 초음파가 이를 제거하며, 압력이 방출 속도를 정한다.

중요한 이유

이 연구는 MRI 구동 자기 내비게이션과 MRI 호환 음향 트리거를 하나의 시스템으로 결합하므로, 하나의 스캐너로 영상화하고, 로봇을 움직이고, 방출을 시작할 수 있다. 저자들은 돼지 장에서 수동 캡슐보다 약 두 자릿수 빠른 내비게이션과 한 번의 시술로 여러 표적에서의 방출을 보고한다.

문제

MRI 스캐너는 자기 소형 로봇을 영상화하고 경사 코일로 끌어당길 수 있지만, 스캐너의 자기 및 RF 조건 때문에 대부분의 원격 트리거를 쓸 수 없어 이러한 로봇은 내비게이션 외의 기능이 거의 없었다. 자기 변형 기반 방출은 MRI 코일이 제공할 수 없는 자기장 제어가 필요하고, RF 트리거는 영상화를 방해하며, 빛은 깊은 조직에 도달하지 못한다. MRI 유도 HIFU 방출은 수동 표적화로만 시연된 바 있었다.

제안 방법

1.5 mm 강철 자기 코어와 500 µm 구멍 하나를 가진 5 mm 3D 프린팅 폴리머 캡슐이 구멍 안에 공기 방울을 마개로 가둔다. 7 T 스캐너에서 수정된 경사 에코 시퀀스가 영상용 경사와 구동용 경사를 번갈아 사용해 캡슐을 조향하고, 2D 압전 스테이지에 장착된 MRI 호환 HIFU 트랜스듀서가 음향 펄스로 방울을 제거하며, 그 후 음압이 방출 속도를 정한다.

핵심 통찰

• 소수성에 가까운 프린팅 외피의 구멍이 약물을 밀봉하는 공기 방울을 가두며, HIFU 펄스로 필요할 때 이를 제거할 수 있다.
• 필요한 음압은 구멍 직경이 커질수록 낮아지고 벽 두께가 두꺼울수록 높아지며, 구멍 직경과 거의 선형 관계를 보인다.
• 음압이 방출 속도를 제어하므로, 같은 캡슐이 한 번의 내비게이션 동안 여러 표적에서 방출할 수 있다.
• 압력이 높을수록 방출이 빠르지만 음향 방사력이 캡슐을 초점 밖으로 밀어내므로, 조작자는 자기력으로 캡슐을 제자리에 붙잡아 두어야 한다.

주요 결과

• 50 cm 길이의 생체 외 돼지 소장에서의 내비게이션은 5회 실행에 44.2 ± 10.1 s가 걸려 평균 1.13 cm/s였다. 초록은 이를 최대 1.13 cm/s의 이동으로 기술한다. 저자들은 이를 수동 캡슐에 대해 보고된 0.025 cm/s와 비교한다.
• 캡슐의 공기 방울은 1.25 MPa 음압에서 제거되었다.
• 캡슐 비우는 시간: 1.4 MPa에서 158 ± 18 s, 1.9 MPa에서 38 ± 5 s, 2.4 MPa에서 20 ± 2 s.
• MRI 구동 위치 결정과 1.4 MPa 펄스를 사용해 U자형 아가로스 채널의 네 개 표적 지점 모두에서 약물을 방출했다.
• 방울이 없는 캡슐은 4 °C에서 1일 이내에 염료가 모두 새어 나간 반면, 방울이 있는 캡슐은 4일 후에도 누출이 없었다. 방울은 500 rpm의 자기 교반기에서도 유지되었다.
• 프린팅된 외피 재료에 대한 물의 접촉각: 81.48 ± 1.71°.

한계

• 소동물용 스캐너의 공간 때문에 HIFU 초점의 2D 제어만 가능하고 초점 거리는 고정되어 있고 제한적이다.
• 자기 코어의 아티팩트가 카메라 시야만큼 커서 MR 영상에서 약물 방출을 볼 수 없으므로, 방출은 추정된 방출 속도에 따라 개루프로 제어된다.
• 캡슐을 더 작게 만들려면 방울 제거와 방출 유체역학의 물리 모델, 더 가는 약물 주입 바늘, 그리고 음향 방사력에 대응하는 방법이 필요하다.
• 시험은 실온에서 생물학적이지 않은 유체를 사용해 체외(in vitro)에서 수행되었다. 점도, pH, 조직 음향 특성, 움직이는 장기는 방출을 바꿀 것으로 예상되지만 연구되지 않았다.
• 다중 표적 방출 시연에는 공기 방울이 없는 캡슐과 육안 확인을 위한 MRI 대응 카메라가 사용되었다.

분야에 미친 영향

ICRA 2023 Outstanding Healthcare and Medical Robotics Paper 상 최종 후보에 올랐으며, 인용 수는 3회다. 논문과 함께 공개된 코드, 데이터, 설계 파일은 없다.

초록

자기공명영상(MRI) 유도 로봇 시스템은 MRI로 구동되는 소형 로봇을 포함한 새로운 최소 침습 의료 도구에 큰 잠재력을 제공한다. MRI 스캐너의 영상 하드웨어를 다른 용도로 활용하면, 테더가 연결된 내시경 도구 없이도 자기 소형 로봇을 환자 몸의 먼 부위까지 내비게이션할 수 있다. 그러나 최신 MRI 구동 자기 소형 로봇은 내비게이션 외에는 기능이 제한적이다. 여기서 우리는 제어된 약물 방출을 위해 MRI 유도 고강도 집속 초음파(HIFU)가 생성하는 음향 흐름 힘을 활용하는 MRI 구동 자기 소형 캡슐 로봇을 제안한다. 우리의 설계는 마개 역할을 하는 공기 방울을 가두는 서브밀리미터 직경의 약물 방출 구멍이 있는 폴리머 캡슐 외피로 구성된다. 캡슐 로봇이 표적 위치에 도달하면 HIFU 펄스를 사용해 공기 방울을 제거함으로써 약물 방출을 시작한다. 또한 음압을 제어하여 내비게이션 중 여러 위치를 표적으로 삼기 위한 약물 방출 속도를 조절한다. 우리는 MRI 구동 작동과 HIFU 제어 방출을 결합하여, 제안한 자기 캡슐 로봇이 생체 외(ex vivo) 돼지 소장에서 최대 1.13 cm/s의 빠른 속도로 이동하고 한 번의 시술로 여러 표적 부위에 약물을 방출할 수 있음을 입증했다. 제안한 MRI 유도 마이크로 로봇 약물 방출 시스템은 필요 시 표적 약물 전달을 가능하게 하여 최소 침습 의료 시술에 큰 영향을 줄 것이다.

링크

• 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