Робот, напечатанный на 3D-принтере и предназначенный для проглатывания, мог бы выполнять гастроинтестинальные процедуры

Последние технологические достижения открыли новые возможности для разработки передовых медицинских устройств, включая крошечных роботов, способных безопасно перемещаться внутри человеческого тела.

Некоторые из этих систем могут помочь упростить сложные медицинские процедуры, в том числе деликатные хирургические операции и целенаправленную доставку лекарств в определенные участки.

Лаборатория MINIMAX в Техасском университете в Остине специализируется на разработке миниатюрных роботов для медицинских, экологических и других применений.

В недавней препринтной статье на arXiv исследователи из этой лаборатории представили нового робота-капсулу, который можно напечатать на 3D-принтере и который управляется магнитами.

Этот робот потенциально может помочь в диагностике и лечении некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта.

«Моя мотивация для мониторинга состояния желудочно-кишечного тракта носит глубоко личный характер», — сказал Medical Xpress Фанчжоу Ся, директор

лаборатории MINIMAX в Техасском университете в Остине и старший автор статьи.

«В 2022 году, когда я был постдоком в Массачусетском технологическом институте, я пережил тяжелый эпизод заболевания желудочно-кишечного тракта, связанный с повторной закупоркой желчных протоков, вызванной камнями в желчном пузыре, что в конечном итоге потребовало операции по удалению желчного пузыря».

«Осложнения усугубились сопутствующей COVID-инфекцией, что привело к многочисленным посещениям отделения неотложной помощи и повторным процедурам эндоскопической ретроградной холангиопанкреатографии (ЭРХПГ).

Многократное проведение ЭРХПГ заставило меня остро осознать, насколько инвазивными могут быть эндоскопические процедуры, включая значительное раздражение горла, дискомфорт и бремя процедуры, несмотря на то, что они проводились по диагностическим и терапевтическим показаниям».

Трудности, с которыми столкнулся Ся после хирургического удаления желчного пузыря, в конечном итоге вдохновили его на разработку новых капсульных роботов для медицинских применений, которые пациенты могут проглатывать, а управлять ими можно с помощью магнитных полей.

Такие роботы могли бы уменьшить зависимость от эндоскопических процедур, позволяя врачам надежно и менее инвазивно получать доступ к интересующим областям желудочно-кишечного тракта.

«После этого события я начал сотрудничество с профессором Джованни Траверсо из Массачусетского технологического института, ведущим специалистом в области робототехники для приема внутрь, и приступил к разработке концепции сети датчиков на уровне тела для систем, предназначенных для приема внутрь и имплантации», — пояснил Ся.

«В этой работе мы сосредоточились на магнитной навигации капсульного робота в желудочно-кишечном тракте, в частности, в области желудка».

Робот размером с таблетку, управляемый магнитами Основная цель недавней работы Ся и его коллег заключалась в оценке различных режимов работы капсульного робота, который он начал разрабатывать в Массачусетском технологическом институте, что должно позволить роботам выполнять различные задачи внутри человеческого тела.

В своей препринтной статье на arXiv они исследовали использование внешних постоянных магнитов и анизотропных мягких магнитных материалов, нанесенных на стенки капсулы, что позволило бы управлять углами крена и рыскания движения капсульного робота.

«Для управления креном и рысканием с помощью внешних постоянных магнитов мы сосредоточились на использовании магнитной оболочки вокруг капсулы, чтобы внутренние компоненты имели более непрерывное пространство», — пояснил Ся.

«Для обеспечения стабильного движения с хорошей внешней магнитной системой и внутренней юстировкой мы вдохновились матрицей Хальбаха для расположения магнитных компонентов, которая концентрирует магнитное поле с одной стороны для магнитно-левитирующих платформ».

Вместо того чтобы вводить внутрь капсулы громоздкий постоянный магнит, исследователи покрыли внешнюю оболочку своего робота мягким магнитным материалом, фактически превратив его в программируемый магнит.

В частности, они смешали магнитные частицы NdFeB с мягким силиконом, а затем напечатали оболочку капсулы на 3D-принтере, активно контролируя направление намагничивания во время нанесения покрытия.

«Это позволило создать оптимизированную схему распределения магнитного поля NSSN/SNNS», — сказал Ся.

«Узорчатая анизотропия создает сильный, четко определенный результирующий магнитный момент, который естественным образом выравнивается с вращающимся внешним магнитным полем, обеспечивая стабильное вращение и управление.

Поскольку распределение магнитного поля тщательно спроектировано для создания направленного крутящего момента и предсказуемого выравнивания, капсула может катиться в обоих направлениях, плавно поворачиваться и сохранять устойчивость на наклонных или текстурированных поверхностях без необходимости сложных алгоритмов обратной связи».

Благодаря отказу от громоздких внутренних магнитов, разработанная командой конструкция сохраняет весь объем внутри капсулы.

Это освобождает место для других компонентов, которые могут быть использованы для решения медицинских задач, включая камеры, датчики, фармацевтические препараты или другие терапевтические вещества.

Примерно в то же время исследователи опубликовали еще одну статью на arXiv , в которой они изучили другой механизм магнитного привода для управления своим роботом.

В частности, они исследовали возможность использования набора внешних катушек и постоянных магнитов внутри капсулы для управления углом наклона капсульного робота.

Одним из ключевых направлений этой работы является моделирование динамических систем и объединение данных с бортовых инерциальных измерительных блоков, измеряющих угловую скорость и линейное ускорение, с изображениями, полученными с внешних камер, имитирующих рентгеновское изображение с использованием расширенного фильтра Калмана.

Этот метод позволяет снизить требуемую частоту кадров на порядок, эффективно уменьшая радиационное облучение пациента во время навигации.

В дальнейшем эта работа будет интегрирована с идеей мягкого покрытия.

«Основной целью наших недавних исследований было изучение управления угловым креном/тангажем/рысканием для передвижения на основе вращения», — сказал Ся.

«В настоящее время мы активно изучаем возможность перемещения магнитов для управления физическим контактным взаимодействием с внутренней стенкой желудочно-кишечного тракта.

Основное различие заключается в том, что вращение возникает за счет выравнивания направления магнитного поля для создания крутящего момента, тогда как для перемещения требуется сильный градиент магнитного поля для создания силы.

Разделение этих двух методов для разных целей делает данный метод более полезным для медицинских применений».

Преимущества и результаты моделирования Робот, разработанный Ся и его коллегами, обладает рядом существенных преимуществ перед другими системами, предназначенными для приема внутрь, которые были представлены ранее.

Наиболее примечательно то, что движение капсулы робота отличается высокой стабильностью, а его вращательные движения обусловлены оптимизированной схемой намагничивания в мягкой магнитной оболочке.

Таким образом, создаваемые движения более точны, чем те, которые возникли бы в «обычном» магните (например, полом магнитном цилиндре), выравнивание и направление которого под воздействием внешнего поля было бы сложнее предсказать.

«Используя 3D-моделирование магнитостатики в ANSYS Maxwell, мы показали, что выбранное распределение полюсов создает сильную магнитную анизотропию и четкий результирующий момент (суммарная полярность капсулы сильно смещена вдоль заданной оси), поэтому капсула естественным образом синхронизируется с вращающимся полем и плавно катится с минимальным колебанием или непреднамеренной связью», — сказал Ся.

«Напротив, простой полый цилиндрический магнит (или равномерно намагниченная оболочка) обычно создает более симметричную реакцию поля/момента, которую легче дестабилизировать смещениями, локальными градиентами поля или контактными возмущениями, что часто требует более тщательной настройки привода или дополнительного управления для предотвращения проскальзывания, дрейфа по оси рыскания или неравномерного крена».

Уникальная разработка команды может стать ориентиром для развития магнитных капсульных роботов.

В будущем она может быть адаптирована или усовершенствована другими исследователями для дальнейшего повышения производительности и универсальности миниатюрных роботов в форме таблеток, а также расширения их функциональных возможностей.

«Благодаря программированию схемы намагничивания (NSSN/SNNS) во время печати и ее проверке с помощью магнитостатического моделирования, мы достигаем сильной магнитной анизотропии и четко определенного суммарного момента, что обеспечивает стабильное двунаправленное качение и точное управление при вращающихся внешних магнитных полях без сложных алгоритмов управления», — сказал Ся.

«Мы также систематически проверяли движение на гладких, наклонных, сухих и влажных текстурированных поверхностях, демонстрируя устойчивость в условиях, приближенных к желудочной среде».

Применение в медицине и дальнейшие направления исследований Разработанный Ся и его коллегами крошечный капсульный робот легко проглатывается и, следовательно, может использоваться для проведения диагностических и терапевтических процедур

в желудочно-кишечном тракте.

Однако, прежде чем его можно будет применять в клинической практике, исследователям необходимо будет убедиться в его биосовместимости и возможности безопасного введения в организм.

Для выполнения поставленных задач капсула робота может быть заполнена различными электронными компонентами, резервуарами с лекарствами или медицинскими инструментами.

Например, она может быть заполнена камерами, инструментами для биопсии, противовоспалительными препаратами, химиотерапевтическими препаратами или миниатюрными датчиками.

«Потенциальные области применения нашего робота включают активную капсульную эндоскопию с контролируемой навигацией, целенаправленное высвобождение лекарственных препаратов в определенных очагах поражения, локализованный забор

биопсийных образцов, а в будущем — мониторинг физиологических сигналов с помощью датчиков», — сказал Ся.

«Поскольку привод осуществляется беспроводным способом и основан на внешне генерируемых магнитных полях клинически приемлемой силы, платформа предлагает масштабируемый путь к управляемой капсульной робототехнике с возможностью размещения полезной нагрузки для внутрителесных медицинских процедур».

В настоящее время исследователи планируют дальнейшие исследования, направленные на улучшение навигации робота и расширение его функциональных возможностей.

Во-первых, они попытаются улучшить возможности робота по магнитной навигации, например, за счет увеличения силы внешних магнитных полей для увеличения расстояний, которые он может преодолеть.

«Разработка капсульных роботов для мониторинга состояния желудочно-кишечного тракта — это работа по системной инженерии, включающая в себя различные базовые компоненты», — сказал Ся.

«Ключевые подобласти включают магнитную навигацию/передвижение, измерительные приборы, миниатюризацию электроники, беспроводную зарядку и тестирование на медицинских фантомах/животных моделях».

Долгосрочная цель исследователей — усовершенствовать робота по всем этим параметрам.

В конечном итоге они надеются продемонстрировать его потенциал для мониторинга состояния желудочно-кишечного тракта или для снижения инвазивности хирургических процедур, например, для проведения эндоскопических операций без анестезии.

«С момента знаменитой лекции доктора Ричарда Фейнмана о нанотехнологиях, прочитанной более 60 лет назад, мы сейчас находимся на переломном этапе, когда можем воплотить в жизнь фантастические идеи, изложенные в той лекции, такие как «проглатывание хирурга» для проведения медицинских процедур

внутри тела», — добавил Ся.

«Поскольку мы наблюдаем влияние технологий миниатюризации на человеческую цивилизацию, сейчас самое подходящее время для комплексной разработки более совершенных инструментов и миниатюрных устройств с использованием нанотехнологий».

Сообщает android-robot.com

 

Новость из рубрики:

 

Поделиться новостью:

 

Топ новости часа

• "Продолжаю верить в справедливость и закон". Владислав Бакальчук раскрыл детали судебных разбирательств с бывшей женой Татьяной Ким...
• В Курской области выявили 28 случаев фиктивной регистрации иностранных граждан...
• Принц Гарри и Меган Маркл не могут найти дом после переезда в США...
• Депутат Нилов: у пенсионеров-должников могут удержать до 70% пенсии...
• "Помните про Гитлера". Ксения Собчак заявила, что не любит домашних животных...
• «Это вам не Нива»: Рендерные снимки 5-дверной Suzuki Jimny привели автомобилистов в восторг...