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

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

授權條款

開放取用
論文: CC BY 4.0

以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。

一句話摘要

MRI 掃描儀既為一顆 5 mm 磁性膠囊造影，也牽引它移動；一個氣泡堵住其藥物孔，直到 MRI 導引的聚焦超音波將其移除，而聲壓決定釋放速率。

為何重要

這項研究在一套系統中結合 MRI 驅動的磁性導航與相容於 MRI 的聲學觸發，因此單一掃描儀就能造影、移動機器人並啟動釋放。作者報告，在豬小腸中的導航速度比被動膠囊快約兩個數量級，並能在一次操作中於多個目標處釋放藥物。

問題

MRI 掃描儀能為磁性微型機器人造影，並以其梯度線圈牽引它，但這類機器人除了導航之外幾乎沒有其他功能，因為掃描儀的磁場與射頻（RF）條件排除了大多數遠端觸發方式。以磁致變形為基礎的釋放需要 MRI 線圈無法提供的磁場控制，RF 觸發會干擾造影，光線又無法到達深層組織；而 MRI 導引的 HIFU 釋放先前只在被動標靶的情況下展示過。

提出的方法

一顆 5 mm 的 3D 列印聚合物膠囊，內含 1.5 mm 的鋼製磁芯，只有一個 500 µm 的孔，孔中困住一個氣泡作為塞子。在一台 7 T 掃描儀上，經修改的梯度迴訊序列交替施加造影梯度與致動梯度來操控膠囊；裝在 2D 壓電平台上、相容於 MRI 的 HIFU 換能器以一個聲脈衝移除氣泡，之後由聲壓設定釋放速率。

關鍵見解

近乎疏水的列印外殼上的一個孔能困住一個封住藥物的氣泡，而 HIFU 脈衝可按需將其移除。
所需聲壓隨孔徑增大而下降、隨壁厚增加而上升，且與孔徑呈近乎線性的關係。
聲壓控制釋放速率，因此同一顆膠囊能在一次導航過程中於多個目標處釋放。
較高的聲壓釋放較快，但聲輻射力會把膠囊推離焦點，因此操作者必須以磁力把它固定在原處。

主要結果

在 50 cm 長的離體豬小腸中導航，5 次執行耗時 44.2 ± 10.1 s，平均 1.13 cm/s；摘要將此描述為以高達 1.13 cm/s 移動。作者將其與文獻報告的被動膠囊 0.025 cm/s 相比較。
膠囊的氣泡在 1.25 MPa 聲壓下被移除。
膠囊排空時間：1.4 MPa 時 158 ± 18 s，1.9 MPa 時 38 ± 5 s，2.4 MPa 時 20 ± 2 s。
藉由 MRI 驅動的定位與 1.4 MPa 脈衝，在一條 U 形瓊脂糖通道的全部四個目標點都釋放了藥物。
在 4 °C 下，沒有氣泡的膠囊在 1 天內漏光所有染料，有氣泡的膠囊則在 4 天後仍無洩漏；氣泡在 500 rpm 的磁力攪拌器中也得以保持。
水在列印外殼材料上的接觸角：81.48 ± 1.71°。

限制

由於小動物掃描儀空間有限，HIFU 焦點只能進行 2D 控制，且焦距固定、範圍有限。
磁芯造成的假影與相機視野一樣大，因此無法在 MR 影像中看到藥物釋放，只能依估計的釋放速率進行開迴路控制。
要縮小膠囊，需要氣泡移除與釋放流體力學的物理模型、更細的載藥針，以及抵銷聲輻射力的方法。
測試是在室溫下以非生物流體於體外進行；黏度、pH、組織聲學特性與器官運動預期都會改變釋放，但尚未研究。
多目標釋放的展示使用的是沒有氣泡的膠囊，並以一台適用於 MRI 環境的相機進行目視確認。

對領域的影響

入圍 ICRA 2023 傑出醫療照護與醫學機器人論文獎決選，被引用 3 次。論文未隨附釋出程式碼、資料或設計檔案。

摘要

磁振造影（MRI）導引的機器人系統，為新型微創醫療工具（包括 MRI 驅動的微型機器人）帶來極大潛力。藉由重新運用 MRI 掃描儀的造影硬體，磁性微型機器人不需有線的內視鏡工具，就能被導航到病患體內遠端的部位。然而，最先進的 MRI 驅動磁性微型機器人除了導航之外功能有限。我們在此提出一種 MRI 驅動的磁性微型膠囊機器人，它利用 MRI 導引的高強度聚焦超音波（HIFU）所產生的聲流力，達成可控制的藥物釋放。我們的設計包含一個聚合物膠囊外殼，上面有一個直徑不到一毫米的藥物釋放孔，孔中困住一個作為塞子的氣泡。膠囊機器人抵達目標位置後，我們以 HIFU 脈衝移除氣泡，啟動藥物釋放。透過控制聲壓，我們也能調節藥物釋放速率，以便在導航過程中針對多個位置投藥。我們證明，結合 MRI 驅動的致動與 HIFU 控制的釋放，所提出的磁性膠囊機器人能在離體豬小腸中以高達 1.13 cm/s 的高速移動，並在單次操作中將藥物釋放到多個目標部位。所提出的 MRI 導引微型機器人藥物釋放系統，將因能按需進行標靶給藥，而對微創醫療程序帶來重大影響。

連結

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