03/04/2024
Door Ad Spijkers
Voor de uitvoering van diverse taken zullen kleine robotjes zelfstandig door het lichaam kunnen bewegen én worden gevolgd.
In de geneeskunde van de toekomst zullen kleine robots zelfstandig door het menselijk lichaam navigeren. Om hun beweging te controleren en medische taken uit te voeren, is het belangrijk om tijdens de operatie hun positie in het lichaam te kunnen identificeren.
Tot nu toe was dit een grote uitdaging voor ontwikkelaars van biomedische implantaten en minimaal invasieve chirurgische instrumenten. Wetenschappers van het Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) hebben nu een draadloze sensormethode uitgevonden op basis van een oscillerende magneet die dergelijke medische toepassingen aanzienlijk kan verbeteren.
Robots in het lichaam
Wat tot voor kort als science fiction klonk, is inmiddels vergevorderd in ontwikkeling: kleine robotjes die zelfstandig door het lichaam bewegen. Ze zijn bedoeld om medicijnen te transporteren, metingen te doen in weefsel of chirurgische ingrepen uit te voeren.
Er zijn al magnetisch aangedreven micro- of nanorobots ontwikkeld die door de spier, het glaslichaam van het oog of het bloedvatenstelsel kunnen navigeren. Er is echter een gebrek aan geavanceerde systemen die de activiteiten van de robots diep in het lichaamsweefsel in real-time kunnen volgen en controleren.
Conventionele beeldvormingsmethoden zijn slechts in beperkte mate geschikt. Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) heeft bijvoorbeeld een te lage temporele resolutie, computertomografie (CT) wordt geassocieerd met blootstelling aan straling en bij ultrageluid beperkt de sterke verstrooiing van geluidsgolven de ruimtelijke resolutie.
Real-time volgen
Met behulp van een nieuw ontwikkelde methode beschrijft een onderzoeksteam van de locatie Dresden van het DKFZ een aanpak om dit probleem op te lossen. Het kleine apparaatje dat de wetenschappers hebben ontwikkeld, is gebaseerd op een magnetische oscillator, een mechanisch oscillerende magneet in een behuizing van millimeterformaat.
Een extern magnetisch veld kan de magneet mechanisch stimuleren om te oscilleren. Wanneer de trilling afneemt, kan dit signaal worden gedetecteerd met behulp van magnetische sensoren. Het basisprincipe is vergelijkbaar met nucleaire magnetische resonantie bij MRI. De onderzoekers noemen de methode 'Small-Scale Magneto-Oscillatatory Localization' (SMOL).
Met SMOL kan de positie en oriëntatie van het kleine apparaatje op relatief grote afstand (ruim 10 cm) nauwkeurig (beter dan 1 mm) in real-time worden bepaald (links op de foto). In tegenstelling tot trackingmethoden op basis van statische magneten kan SMOL bewegingen in alle zes vrijheidsgraden registreren. Het meet alle ruimtelijke en hoekcoördinaten, met een aanzienlijk hogere signaalkwaliteit. Omdat het apparaat slechts zwakke magnetische velden genereert en vereist, is het onschadelijk voor het lichaam. Het werkt ook draadloos en is compatibel met veel conventionele apparaten en beeldvormingsprocedures.
Markering van tumoren
Er zijn veel toepassingen mogelijk voor de SMOL-methode. De onderzoekers hebben het systeem al geïntegreerd in miniatuurrobots en instrumenten voor minimaal invasieve chirurgie. Te denken valt aan een combinatie met capsule-endoscopen of het markeren van tumoren voor nauwkeurige therapie. De methode zou ook een voordeel kunnen opleveren voor volledig geautomatiseerde chirurgische robots of augmented reality toepassingen.
SMOL vereist slechts relatief eenvoudige technische apparatuur. Door zijn afmetingen in het millimeterbereik kan de oscillator in veel bestaande medische instrumenten worden geïntegreerd. Ook kan de tracker (rechts op de foto) nog verder worden geminiaturiseerd. Dankzij de precieze ruimtelijke en temporele resolutie heeft de techniek het potentieel om veel interventionele procedures in de toekomst vooruit te helpen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: Qiu / DKFZ