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新方法让微型机器人和手术器械实现体内精确定位


 

发布日期:[2024/5/12]
 

在未来的医学中,微型机器人将在组织中独立导航,医疗仪器将在手术过程中指示它们在体内的位置。两者都要求医生能够精确、实时地定位和控制设备。

到目前为止,还没有合适的方法。德国癌症研究中心 (DKFZ) 的科学家现在描述了一种基于振荡磁铁的信号发送方法,可以显着改善此类医疗应用。

该研究发表在《npj Robotics》杂志上。

直到最近听起来还像科幻小说的东西现在已经在开发中取得了很大进展:在体内独立移动的纳米机器人有望运输药物、在组织中进行测量或执行外科手术。可以通过肌肉、眼睛玻璃体或血管系统进行导航的磁驱动纳米机器人已经被开发出来。

然而,缺乏复杂的系统来实时跟踪和控制机器人在身体深处的活动。传统的成像技术仅适用于有限的范围。磁共振成像(MRI)的时间分辨率有限,计算机断层扫描(CT)与辐射暴露有关,声波的强散射限制了超声波的局部分辨率。

将 SMOL 集成到生物医学应用。图片来源:npj Robotics (2024)。 DOI:10.1038/s44182-024-00008-x

将 SMOL 集成到生物医学应用。图片来源:npj Robotics (2024)。 DOI:10.1038/s44182-024-00008-x

来自德累斯顿 DKFZ 工厂的 Tian Qiu 领导的团队现在发明了一种新方法来解决这个问题。他们开发的微型设备基于磁振荡器(即位于毫米大小的外壳中的机械振荡磁铁)。外部磁场可以激发磁体进行机械振动。

当振荡再次减弱时,可以用磁传感器记录该信号。其基本原理类似于MRI中的核磁共振。研究人员将该方法称为“小规模磁振荡定位”(SMOL)。

SMOL 允许在远距离(超过 10 厘米)、非常精确(小于 1 毫米)和实时确定小型设备的位置和方向。与基于静态磁铁的跟踪方法相比,SMOL 可以检测所有六个自由度的运动,并且信号质量显着提高。

由于该设备基于弱磁场,因此对身体无害、无线且与许多传统设备和成像技术兼容。

SMOL 方法概述。图片来源:npj Robotics (2024)。 DOI:10.1038/s44182-024-00008-x

SMOL 方法概述。图片来源:npj Robotics (2024)。 DOI:10.1038/s44182-024-00008-x

“SMOL 方法有许多可能的应用,”当前出版物的第一作者 Felix Fischer 说。 “我们已经将该系统集成到微型机器人和微创手术器械中。

“与胶囊内窥镜或肿瘤组织标记相结合以进行非常精确的放射治疗是可以想象的。我们的方法还可以为全自动手术机器人或增强现实应用提供决定性优势。”

“SMOL只需要相对简单的技术设备。由于其尺寸在毫米范围内,振荡器可以集成到许多现有仪器中,并且仍有进一步小型化的潜力。由于其精确的空间和时间分辨率,我们的技术具有潜力显着推进未来的许多医疗程序,”当前出版物的资深作者邱评论道。