Neue Methode ermöglicht Miniaturrobotern und chirurgischen Instrumenten eine präzise Lokalisierung im Körper

Datum:[2024/5/12]

In der Medizin der Zukunft navigieren winzige Roboter selbstständig durch Gewebe und medizinische Instrumente zeigen ihre Position im Körper während der Operation an. Beide erfordern, dass Ärzte die Geräte präzise und in Echtzeit lokalisieren und steuern können.

Bisher gab es dafür keine geeignete Methode. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) haben nun eine Signalisierungsmethode auf Basis eines oszillierenden Magneten beschrieben, die solche medizinischen Anwendungen signifikant verbessern kann.

Die Studie wird in der Fachzeitschrift npj Robotics veröffentlicht.

Was bis vor kurzem nach Science Fiction klang, ist inzwischen weit fortgeschritten: Nanoroboter, die sich selbstständig durch den Körper bewegen, sollen Medikamente transportieren, Gewebe messen oder chirurgische Eingriffe durchführen. Magnetisch angetriebene Nanoroboter, die durch den Muskel, durch den Glaskörper des Auges oder durch das Blutgefäßsystem navigieren, wurden bereits entwickelt.

Es fehlt jedoch an ausgefeilten Systemen, um die Aktivitäten der Roboter tief im Körper in Echtzeit zu verfolgen und zu steuern. Traditionelle bildgebende Verfahren sind nur bedingt geeignet. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist zeitlich begrenzt, die Computertomographie (CT) ist mit Strahlenexposition verbunden und die starke Streuung von Schallwellen begrenzt die lokale Auflösung von Ultraschall.
Integration von SMOL für biomedizinische Anwendungen. Quelle: npj Robotics (2024). DOI: 10.1038/s44182-024-00008-x
Ein Team um Tian Qiu vom DKFZ Dresden hat nun eine neue Methode zur Lösung dieses Problems erfunden. Das winzige Gerät, das sie entwickelt haben, basiert auf einem magnetischen Oszillator (also einem mechanisch oszillierenden Magneten, der sich in einem millimetergroßen Gehäuse befindet). Ein externes Magnetfeld kann den Magneten anregen, mechanisch zu vibrieren.

Wenn die Schwingung wieder nachlässt, kann dieses Signal mit magnetischen Sensoren aufgezeichnet werden. Das Grundprinzip ist vergleichbar mit der Kernspinresonanz in der MRT: Die Forscher bezeichnen die Methode als "Small-Scale Magneto-Oszillatory Localization" (SMOL).

Mit SMOL lassen sich Position und Ausrichtung des kleinen Gerätes in großer Entfernung (über 10 cm), sehr präzise (weniger als 1 mm) und in Echtzeit bestimmen. Im Gegensatz zu Tracking-Methoden auf Basis statischer Magnete kann SMOL Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden und mit deutlich höherer Signalqualität erfassen.

Da das Gerät auf schwachen Magnetfeldern basiert, ist es harmlos für den Körper, drahtlos und kompatibel mit vielen herkömmlichen Geräten und bildgebenden Techniken.

Überblick über die SMOL-Methode. Quelle: npj Robotics (2024). DOI: 10.1038/s44182-024-00008-x
"Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten für die SMOL-Methode", sagt Felix Fischer, Erstautor der aktuellen Publikation. "Wir haben das System bereits in Miniaturroboter und Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie integriert.

"Denkbar wäre eine Kombination mit Kapselendoskopen oder die Markierung von Tumorgewebe für eine sehr präzise Strahlentherapie. Unsere Methode könnte auch einen entscheidenden Vorteil für vollautomatisierte chirurgische Robotik oder Augmented Reality Anwendungen bieten."

"SMOL benötigt nur vergleichsweise einfache technische Ausstattung. Aufgrund seiner Abmessungen im Millimeterbereich lässt sich der Oszillator in viele bestehende Instrumente integrieren und es besteht noch Potenzial für weitere Miniaturisierungen. Dank seiner präzisen räumlichen und zeitlichen Auflösung hat unsere Technik das Potenzial, viele medizinische Verfahren der Zukunft signifikant voranzutreiben", kommentiert Qiu, Senior Author der aktuellen Publikation.