[论文解读] 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 2

一句话总结

本文提出一种基于磁共振成像（MRI）的磁控胶囊机器人，利用高强度聚焦超声（HIFU）实现按需、多部位药物释放。该胶囊采用疏水性小孔配合空气泡塞，当HIFU脉冲移除气泡时触发药物释放；在离体猪肠模型中，其最高速度达1.13 cm/s，并在单次操作中实现了可控的多部位药物释放。

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.

研究动机与目标

• 开发一种微创、兼容MRI的微型机器人系统，实现精确、按需的药物输送。
• 克服现有MRI驱动机器人缺乏功能性药物输送机制的局限性。
• 集成HIFU作为远程、兼容MRI的刺激源，实现无需缆线连接的可控药物释放。
• 通过调节HIFU压力，实现在单次导航过程中对多个靶点的药物输送。
• 在生理相关离体环境（猪小肠）中验证其可行性。

提出的方法

• 重新利用7T MRI扫描仪的梯度线圈，生成三维磁驱动力以实现胶囊导航。
• 设计一种聚合物胶囊，其具有亚毫米级疏水孔，可捕获空气泡作为塞子。
• 利用HIFU脉冲产生声流力，使空气泡脱离，从而启动药物释放。
• 通过调节HIFU声压控制药物释放速率，获得接近线性的关系。
• 集成一个固定、兼容MRI的二维压电平台与HIFU换能器，实现在成像和驱动过程中的实时操作。
• 表征孔道几何结构对所需声压的影响，并优化设计以实现最低声压阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 HIFU能否作为MRI驱动微型机器人中按需药物释放的远程、兼容MRI触发机制？
• RQ2 药物释放孔道的几何结构如何影响移除空气泡塞所需的声压？
• RQ3 能否通过调节HIFU声压实现对药物释放速率的精确、非侵入式控制？
• RQ4 在单次MRI引导导航过程中，是否可实现多部位、按需的药物释放？
• RQ5 该胶囊在离体模型中的速度与可操控性与被动胶囊内镜相比如何？

主要发现

• 该胶囊在离体猪小肠中实现了最高1.13 cm/s的导航速度，约为被动胶囊内镜（0.025 cm/s）的45倍。
• 药物释放成功由HIFU脉冲触发，空气泡在焦点处的声流力作用下被移除。
• 观察到HIFU声压与药物释放速率之间近乎线性相关，实现了精确控制。
• 较小的孔径需要更高的声压才能移除气泡，而较薄的壁厚可降低所需声压。
• 在单次导航过程中，成功在不同目标位置实现了多次药物释放，证明了多部位给药能力。
• 胶囊核心产生的磁伪影过大，足以在MR图像中遮挡视觉反馈，提示未来设计需采用更小的磁性核心。