[논문 리뷰] MRI-powered Magnetic Miniature Capsule Robot with HIFU-controlled On-demand Drug Delivery

Mehmet Tiryaki, Fatih Doğangün외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 17.

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한 줄 요약

이 논문은 고강도 집중 초음파(HIFU)를 사용하여 약물 방출을 유도하는 MRI 기반 자기 캡슐 로봇을 제안한다. 이 캡슐은 수소화된 구멍과 공기 기포로 된 차단막을 갖추고 있으며, HIFU 펄스가 기포를 제거함으로써 약물을 방출한다. 돼지 장에서의 이식 후 실험에서 캡슐은 최대 1.13 cm/s의 속도를 기록했으며, 한 번의 운영 동안 다중 위치에 대한 제어된 약물 방출이 가능했다.

ABSTRACT

Magnetic resonance imaging (MRI)-guided robotic systems offer great potential for new minimally invasive medical tools, including MRI-powered miniature robots. By re-purposing the imaging hardware of an MRI scanner, the magnetic miniature robot could be navigated into the remote part of the patient's body without needing tethered endoscopic tools. However, the state-of-art MRI-powered magnetic miniature robots have limited functionality besides navigation. Here, we propose an MRI-powered magnetic miniature capsule robot benefiting from acoustic streaming forces generated by MRI-guided high-intensity focus ultrasound (HIFU) for controlled drug release. Our design comprises a polymer capsule shell with a submillimeter-diameter drug-release hole that captures an air bubble functioning as a stopper. We use the HIFU pulse to initiate drug release by removing the air bubble once the capsule robot reaches the target location. By controlling acoustic pressure, we also regulate the drug release rate for multiple location targeting during navigation. We demonstrated that the proposed magnetic capsule robot could travel at high speed up to 1.13 cm/s in ex vivo porcine small intestine and release drug to multiple target sites in a single operation, using a combination of MRI-powered actuation and HIFU-controlled release. The proposed MRI-guided microrobotic drug release system will greatly impact minimally invasive medical procedures by allowing on-demand targeted drug delivery.

연구 동기 및 목표

• 정밀하고 즉각적인 약물 투여가 가능한 최소 침습적, MRI 호환성 마이크로로봇 시스템을 개발한다.
• 기존 MRI 기반 로봇에서 약물 투여 기능이 부족한 한계를 극복한다.
• 접선 시스템 없이도 원격으로 제어 가능한 MRI 호환성 자극으로 HIFU를 통한 정밀한 약물 방출을 통합한다.
• 조절 가능한 HIFU 압력을 통해 단일 운행 세션 동안 다중 표적 약물 투여를 가능하게 한다.
• 생리학적으로 관련성이 있는 이식 후 환경(돼지 소장)에서의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 7T MRI 스캐너의 기울기 코ils를 재사용하여 캡슐 운전을 위한 3차원 자기력 작용을 생성한다.
• 하나의 하위밀리미터 수준의 수소화된 구멍을 갖춘 고분자 캡슐을 설계하여 공기 기포로 된 차단막을 형성한다.
• HIFU 펄스를 사용해 음향 순환력(acoustic streaming forces)을 생성하여 공기 기포를 제거함으로써 약물 방출을 유도한다.
• HIFU 음압을 조절하여 약물 방출 속도를 제어하였으며, 거의 선형 관계를 관찰하였다.
• 영상 촬영 및 작동 중 실시간 운영을 위해 정지된 MRI 호환성 2차원 세라믹 압전 스테이지와 HIFU 트랜스듀서를 통합하였다.
• 홀 형상 특성이 필요한 음압에 미치는 영향을 특성화하고, 최소한의 압력 임계값을 확보하기 위해 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HIFU는 MRI 기반 마이크로로봇에서 즉각적인 약물 방출을 위한 원격 제어, MRI 호환성 트리거로 사용될 수 있는가?
• RQ2 약물 방출 홀의 형상은 공기 기포 차단막을 제거하기 위해 필요한 음압에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HIFU 음압을 조절하여 비침습적이고 정밀하게 약물 방출 속도를 제어할 수 있는가?
• RQ4 단일 캡슐을 사용하여 한 번의 MRI 유도 운행 세션 동안 다중 위치에 대한 즉각적인 약물 방출이 가능한가?
• RQ5 이식 후 모델에서 캡슐의 속도와 이동성은 수동 캡슐 내시경과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 이식 후 돼지 소장에서 캡슐은 최대 1.13 cm/s의 이동 속도를 기록했으며, 수동 캡슐 내시경(0.025 cm/s)보다 약 45배 빠르게 이동하였다.
• HIFU 펄스에 의해 약물 방출이 성공적으로 유도되었으며, 초점부에서 음향 순환력에 의해 공기 기포가 제거되었다.
• HIFU 음압과 약물 방출 속도 사이에 거의 선형 상관관계가 관찰되어 정밀 제어가 가능했다.
• 작은 홀 지름은 기포 제거에 더 높은 음압이 필요했고, 얇은 벽 두께는 필요한 압력을 감소시켰다.
• 단일 운행 동안 서로 다른 목표 위치에서 다수의 약물 방출 이벤트를 성공적으로 구현하여 다중 위치 투여 능력을 입증하였다.
• 캡슐의 핵심에서 발생하는 자기 아티팩트가 MR 영상에서 시각 피드백을 흐리게 하여, 향후 설계에서 더 작은 자기 핵심이 필요할 것으로 제안되었다.