[論文レビュー] MRI-powered Magnetic Miniature Capsule Robot with HIFU-controlled On-demand Drug Delivery

Mehmet Tiryaki, Fatih Doğangün+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2023

Gastrointestinal Bleeding Diagnosis and Treatment被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、高強度焦点化超音波（HIFU）を用いて薬物放出を誘発する、MRI駆動の磁気カプセルロボットを提案している。カプセルは疎水性の穴と空気のバキュームストッパーを備えており、HIFUパulsesによってバキュームが除去されると薬物が放出される。豚の腸で実施したin vitro実験では、最高速度1.13 cm/sを達成し、一度の操作で制御可能で複数の部位への薬物投与が可能であった。

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.

研究の動機と目的

• 正確で即時の薬物投与が可能な、最小侵襲的でMRI適合性を持つマイクロロボティクスシステムの開発。
• 既存のMRI駆動ロボットが機能的な薬物投与機構を欠いているという制限の克服。
• 有線システムを必要としない、遠隔制御可能でMRI適合性を持つ刺激としてHIFUを統合し、制御された薬物放出を実現。
• 調整可能なHIFU圧力を用いて、一度のナビゲーションセッションで複数の標的への薬物投与を可能にする。
• 生理的関連性のあるin vitro環境（豚の小腸）での実現可能性の検証。

提案手法

• 7T MRIスキャナの勾配コイルを再利用し、カプセルのナビゲーションに3次元磁気駆動力を生成。
• サブミリメートルオーダーの疎水性穴を備えた高分子カプセルを設計し、その穴に空気のバキュームストッパーを閉じ込める。
• HIFUパulsesによって発生する音響ストリーミング力でバキュームストッパーを解除し、薬物放出を開始。
• HIFU音響圧力を調整することで薬物放出レートを制御し、ほぼ線形の関係を達成。
• 画像撮影と駆動をリアルタイムで行える、静止型でMRI適合性を持つ2次元圧電ステージとHIFUトランスデューサーを統合。
• 穴の幾何学的形状が要必要な音響圧力に与える影響を評価し、最小限の圧力閾値を最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HIFUは、MRI駆動マイクロロボットにおける即時の薬物放出を誘発する遠隔制御可能でMRI適合性を持つトリガーとして使用可能か？
• RQ2 薬物放出用の穴の幾何学的形状は、空気バキュームストッパーを除去するために必要な音響圧力にどのように影響するか？
• RQ3 HIFU音響圧力を調整することで、非侵襲的かつ正確に薬物放出レートを制御できるか？
• RQ4 一度のMRIガイドナビゲーションセッションで、1台のカプセルを用いて複数部位への即時の薬物投与が可能か？
• RQ5 in vitroモデルにおいて、カプセルの速度とナビゲーション性は、被動的カプセル内視鏡と比較してどうか？

主な発見

• カプセルはin vitro豚の小腸で最大1.13 cm/sのナビゲーション速度を達成し、被動的カプセル内視鏡（0.025 cm/s）の約45倍速であった。
• HIFUパulsesによって薬物放出が成功裏に誘発され、焦点部での音響ストリーミング力によって空気バキュームが除去された。
• HIFU音響圧力と薬物放出レートの間にほぼ線形の相関関係が観察され、正確な制御が可能となった。
• 穴の直径が小さいほどバキューム除去に必要な音響圧力が高くなり、壁が薄いほど必要な圧力が低下した。
• 一度のナビゲーション走行中に、明確に分離された複数の標的部位で薬物放出を実施し、複数部位への投薬能力を実証した。
• カプセルのコアに起因する磁気アーチファクトがMR画像で視認性を損なうほど大きかったため、今後の設計ではより小型の磁気コアの採用が求められる。