Robot kapsułowy drukowany w 3D może zrewolucjonizować procedury gastroenterologiczne
Naukowcy z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin opracowali kapsułowy robot, który można połknąć i sterować nim zdalnie, co może uprościć skomplikowane procedury endoskopowe.
Postępy w miniaturyzacji i magnetycznym sterowaniu otwierają nowe możliwości dla mniej inwazyjnych interwencji medycznych. Naukowcy z MINIMAX Lab na Uniwersytecie Teksańskim w Austin opracowali kapsułowy robot, który można połknąć i zdalnie nawigować przez przewód pokarmowy (GI). Innowacja ta może uprościć skomplikowane procedury endoskopowe oraz umożliwić celowaną diagnostykę i terapię.
Prace, opisane w niedawno opublikowanym predruku na arXiv, koncentrują się na magnetycznej nawigacji i kontrolowaniu obrotów kapsuły wielkości pigułki, zaprojektowanej do niezawodnego poruszania się wewnątrz żołądka i innych części przewodu pokarmowego.
Osobista motywacja do innowacji
Badania prowadził Fangzhou Xia, dyrektor MINIMAX Lab i główny autor pracy. Jego motywacja ma osobisty charakter. „Moja motywacja do monitorowania zdrowia przewodu pokarmowego jest głęboko osobista” - powiedział Xia. „W 2022 roku, będąc postdokiem w MIT, doświadczyłem poważnego epizodu medycznego związanego z przewodem pokarmowym, który wymagał operacji usunięcia pęcherzyka żółciowego.”
Powikłania, w tym infekcja COVID, skutkowały wieloma wizytami w szpitalu i powtarzającymi się procedurami ERCP. „Przechodzenie przez wiele ERCP uświadomiło mi, jak inwazyjne mogą być procedury endoskopowe, mimo że są wykonywane z konieczności diagnostycznej i terapeutycznej.”
Te doświadczenia skłoniły Xia do poszukiwania alternatyw, które mogłyby zmniejszyć zależność od konwencjonalnej endoskopii, umożliwiając kontrolowany, mniej inwazyjny dostęp do interesujących obszarów przewodu pokarmowego.
Robotyka kapsułowa sterowana magnetycznie
Kapsułowy robot jest zaprojektowany do sterowania za pomocą zewnętrznych pól magnetycznych. Zamiast umieszczać wewnątrz kapsuły dużego magnesu, zespół pokrył jej zewnętrzną powłokę miękkim materiałem magnetycznym. Cząstki NdFeB zmieszano z miękkim silikonem, a powłokę kapsuły wydrukowano w technologii 3D, kontrolując kierunek magnetyzacji podczas osadzania. „Stworzyło to zoptymalizowany wzór rozkładu pola magnetycznego” - wyjaśnił Xia.
Wzór anizotropowy generuje silny, dobrze zdefiniowany moment magnetyczny, który dostosowuje się do obracającego się zewnętrznego pola magnetycznego. W rezultacie kapsuła może toczyć się w obie strony, płynnie skręcać i utrzymywać stabilność na nachylonych lub teksturowanych powierzchniach, bez potrzeby skomplikowanych algorytmów sterowania zwrotnego.
„Skupiliśmy się na używaniu magnetycznej powłoki wokół kapsuły, aby wewnętrzne komponenty miały więcej przestrzeni” - powiedział Xia. Zainspirowani koncepcją układu Halbach, układ koncentruje efekty pola magnetycznego po jednej stronie, co zwiększa stabilność i wyrównanie. Eliminując duże wewnętrzne magnesy, projekt zachowuje wewnętrzną objętość na ładunki, takie jak kamery, czujniki, zbiorniki na leki czy narzędzia biopsyjne.
Zmniejszenie ekspozycji na promieniowanie dzięki inteligentniejszej kontroli
W równoległych pracach, również opublikowanych jako predruk na arXiv, zespół zbadał uzupełniający mechanizm aktywacji przy użyciu zewnętrznych cewek i wewnętrznego magnesu, aby kontrolować kąt nachylenia. Kluczowym elementem jest modelowanie dynamiczne systemu w połączeniu z fuzją danych z czujników.
Integrując jednostki pomiaru inercji z obrazami zewnętrznych kamer, które imitują obrazowanie rentgenowskie, oraz stosując rozszerzony filtr Kalman, badacze zmniejszyli wymaganą częstotliwość klatek o rząd wielkości. Podejście to może znacznie obniżyć ekspozycję na promieniowanie podczas nawigacji. Metoda ta zostanie później zintegrowana z koncepcją miękkiej powłoki magnetycznej. „Głównym celem naszych ostatnich wysiłków było zbadanie kontroli kątowej dla lokomocji opartej na obrotach” - powiedział Xia.
Symulacje i testy wytrzymałości
Używając symulacji magnetostatycznych ANSYS Maxwell 3D, zespół wykazał, że wybrane rozkłady biegunów generują silną anizotropowość magnetyczną i wyraźny moment magnetyczny. „W przeciwieństwie do prostego magnetycznego cylindra (lub jednorodnie magnetyzowanej powłoki), który ma tendencję do wytwarzania bardziej symetrycznego pola/momentu, łatwiej destabilizowanego przez przesunięcia, lokalne gradienty pola lub zakłócenia kontaktowe, często wymagającego bardziej starannego wyrównania aktywacji lub dodatkowej kontroli, aby zapobiec poślizgowi, dryfowi lub nieregularnemu toczeniu” - wyjaśnił Xia.
Zespół potwierdził lokomocję na gładkich, nachylonych, suchych i mokrych teksturowanych powierzchniach, aby odwzorować środowisko żołądkowe, demonstrując solidny i stabilny ruch w różnych warunkach.
W kierunku zastosowań klinicznych
Przed wdrożeniem klinicznym kapsuła musi zostać wykazana jako biokompatybilna i bezpieczna. Jednak bezprzewodowe magnetyczne sterowanie platformą, wykorzystujące zewnętrzne pola magnetyczne o akceptowalnych siłach klinicznych, zapewnia skalowalną ścieżkę do robotyki kapsułowej zdolnej do transportu ładunków. „Potencjalne zastosowania naszego robota obejmują aktywną endoskopię kapsułową z kontrolowaną nawigacją, celowane uwalnianie leków w określonych miejscach zmian, lokalne pobieranie biopsji oraz w przyszłości monitorowanie sygnałów fizjologicznych z wykorzystaniem czujników” - powiedział Xia.
Przyszłe badania skoncentrują się na ulepszaniu nawigacji magnetycznej, zwiększaniu siły pola zewnętrznego w celu wydłużenia zasięgu oraz dalszej miniaturyzacji elektroniki pokładowej. Dodatkowe obszary rozwoju obejmują instrumentację przetworników, ładowanie bezprzewodowe oraz walidację w modelach medycznych i zwierzęcych. „Rozwój robota kapsułowego do monitorowania zdrowia przewodu pokarmowego to wysiłek inżynieryjny z różnymi komponentami” - zauważył Xia.
Patrząc w przyszłość, Xia dostrzega projekt w szerszym kontekście historycznym. „Od słynnego wykładu dr. Richarda Feynmana na temat nanotechnologii ponad 60 lat temu, stoimy teraz w kluczowym momencie, aby zrealizować pomysły z tego wykładu, takie jak 'połknięcie chirurga' w celu leczenia wewnątrz ciała” - powiedział.
W miarę jak technologie miniaturyzacji dojrzewają, połykane platformy robotyczne mogą pomóc w przekształceniu sposobu diagnozowania i leczenia zaburzeń przewodu pokarmowego, potencjalnie zmniejszając inwazyjność przy jednoczesnym zwiększeniu precyzji terapeutycznej.
Źródło: https://www.icthealth.org/news/3d-printed-swallowable-robot-may-transform-gi-procedures
Źródło: www.icthealth.org