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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

许可协议

  • 开放获取
  • 论文: CC BY 4.0

以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。

一句话总结

MRI 扫描仪既对一个 5 mm 磁性胶囊成像，又牵引它移动；一个气泡堵住其药物孔，直到 MRI 引导的聚焦超声将其去除，而声压决定释放速率。

为何重要

这项工作在一个系统中结合了 MRI 驱动的磁导航和与 MRI 兼容的声学触发，因此单台扫描仪即可完成成像、移动机器人和启动释放。作者报告，在猪小肠中的导航速度比被动胶囊快约两个数量级，并能在一次操作中在多个目标处释放药物。

问题

MRI 扫描仪可以对磁性微型机器人成像，并用梯度线圈牵引它，但这类机器人除导航外几乎没有其他功能，因为扫描仪的磁场和射频（RF）条件排除了大多数远程触发方式。基于磁致形变的释放需要 MRI 线圈无法提供的磁场控制，RF 触发会干扰成像，光又无法到达深层组织；而 MRI 引导的 HIFU 释放此前只在被动靶向的情况下得到过展示。

提出的方法

一个 5 mm 的 3D 打印聚合物胶囊，内含 1.5 mm 的钢制磁芯，只有一个 500 µm 的孔，孔中截留一个气泡作为塞子。在一台 7 T 扫描仪上，经过修改的梯度回波序列交替施加成像梯度和驱动梯度来操控胶囊；安装在 2D 压电平台上、与 MRI 兼容的 HIFU 换能器用一个声脉冲去除气泡，此后由声压设定释放速率。

关键见解

  • 近疏水的打印外壳上的一个小孔能截留一个封住药物的气泡，HIFU 脉冲可按需将其去除。
  • 所需声压随孔径增大而降低、随壁厚增加而升高，并与孔径呈近似线性关系。
  • 声压控制释放速率，因此同一个胶囊可以在一次导航过程中在多个目标处释放。
  • 更高的声压释放更快，但声辐射力会把胶囊推离焦点，因此操作者必须用磁力将其固定在原位。

主要结果

  • 在 50 cm 长的离体猪小肠中导航，5 次运行耗时 44.2 ± 10.1 s，平均速度 1.13 cm/s；摘要将其描述为以高达 1.13 cm/s 的速度行进。作者将其与文献报告的被动胶囊 0.025 cm/s 进行了比较。
  • 胶囊的气泡在 1.25 MPa 声压下被去除。
  • 胶囊排空时间：1.4 MPa 时 158 ± 18 s，1.9 MPa 时 38 ± 5 s，2.4 MPa 时 20 ± 2 s。
  • 借助 MRI 驱动的定位和 1.4 MPa 脉冲，在一条 U 形琼脂糖通道的全部四个目标点都释放了药物。
  • 在 4 °C 下，没有气泡的胶囊在 1 天内漏光了全部染料，而有气泡的胶囊在 4 天后仍无泄漏；气泡在 500 rpm 的磁力搅拌器中也得以保持。
  • 水在打印外壳材料上的接触角：81.48 ± 1.71°。

局限

  • 由于小动物扫描仪空间有限，HIFU 焦点只能进行 2D 控制，且焦距固定、范围有限。
  • 磁芯造成的伪影与相机视场一样大，因此无法在 MR 图像中看到药物释放，只能根据估计的释放速率进行开环控制。
  • 缩小胶囊尺寸需要气泡去除和释放流体动力学的物理模型、更细的载药针，以及抵消声辐射力的方法。
  • 测试在室温下体外使用非生物流体进行；预计黏度、pH、组织声学特性和器官运动都会改变释放过程，但尚未研究。
  • 多目标释放的演示使用的是没有气泡的胶囊，并用一台适用于 MRI 环境的相机进行视觉确认。

对领域的影响

入围 ICRA 2023 杰出医疗与医学机器人论文奖决赛，被引用 3 次。论文未随附发布代码、数据或设计文件。

摘要

磁共振成像（MRI）引导的机器人系统为新型微创医疗工具（包括 MRI 驱动的微型机器人）带来了巨大潜力。通过重新利用 MRI 扫描仪的成像硬件，磁性微型机器人无需有线内窥镜工具即可被导航到患者体内的偏远部位。然而，最先进的 MRI 驱动磁性微型机器人除导航外功能有限。在此，我们提出一种 MRI 驱动的磁性微型胶囊机器人，它借助 MRI 引导的高强度聚焦超声（HIFU）产生的声流力来实现可控药物释放。我们的设计包括一个聚合物胶囊外壳，其上有一个直径亚毫米级的药物释放孔，孔中截留一个充当塞子的气泡。当胶囊机器人到达目标位置后，我们用 HIFU 脉冲去除气泡，从而启动药物释放。通过控制声压，我们还能调节药物释放速率，以便在导航过程中对多个位置进行靶向给药。我们证明，结合 MRI 驱动的致动和 HIFU 控制的释放，所提出的磁性胶囊机器人能在离体猪小肠中以高达 1.13 cm/s 的高速行进，并在单次操作中向多个目标部位释放药物。所提出的 MRI 引导微型机器人药物释放系统将通过实现按需靶向给药，对微创医疗程序产生重大影响。

链接

  • 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

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