Un robot de dimensiunea unei pastile, care poate naviga precis în stomac prin control magnetic, propus pentru diagnostic şi tratament în tractul digestiv.
Dispozitivele medicale în miniatură pot deschide noi opţiuni pentru diagnostic şi tratament, reducând nevoia de proceduri invazive. O echipă din Statele Unite a dezvoltat o capsulă, imprimată 3D, care poate fi înghiţită şi ghidată magnetic în tractul gastrointestinal, cu potenţial de utilizare pentru investigaţii diagnostice şi intervenţii terapeutice localizate la nivelul tractului gastrointestinal.
Cercetarea a fost realizată de laboratorul Minimax din cadrul Universităţii din Texas (UT) Austin, care este specializat în dezvoltarea de roboţi miniaturali pentru aplicaţii medicale, de mediu şi din alte domenii, şi a fost publicată pe platforma arXiv.
Autorii au urmărit dezvoltarea unei capsule robotice magnetizate, imprimată 3D, capabilă să se deplaseze controlat în tractul gastrointestinal, în special la nivel gastric, astfel încât dispozitivul să poată îndeplini sarcini variate în interiorul corpului uman.
Dispozitivul de dimensiunea unei pastile este conceput pentru a fi dirijat cu ajutorul unor magneţi externi. Spre deosebire de alte sisteme care includ magneţi permanenţi voluminoşi în interior, cercetătorii au acoperit carcasa externă a capsulei cu un material magnetic moale.
Materialul a fost obţinut prin amestecarea particulelor magnetice de neodim-fier-bor (NdFeB) cu silicon moale. În timpul imprimării 3D a carcasei, cercetătorii au ghidat direcţia în care aceste particule deveneau magnetizate, astfel încât diferite zone ale capsulei să aibă polarităţi stabilite precis încă din procesul de fabricaţie.
Prin această metodă, cercetătorii au creat pe suprafaţa capsulei o succesiune controlată a polilor magnetici, organizată într-un model de tip NSSN/SNNS - alternanţe precise între poli nord şi sud. Această aranjare face ca forţa magnetică a capsulei să fie orientată predominant pe o direcţie bine definită, astfel încât dispozitivul răspunde controlat şi previzibil la câmpul magnetic extern - anizotropie magnetică - materialul are proprietăţi diferite în funcţie de direcţie.
Când capsula se aliniază cu câmpul magnetic extern, apare o forţă care o face să se rotească în direcţia dorită. Această rotaţie controlată permite deplasarea înainte şi înapoi, precum şi schimbarea precisă a direcţiei. Potrivit autorilor, mişcarea rămâne stabilă şi uşor de controlat chiar şi pe suprafeţe înclinate sau neregulate, fără a fi nevoie de sisteme informatice complexe pentru corectarea traiectoriei.
Pentru a verifica modul în care se comportă capsula, cercetătorii au realizat simulări pe calculator ale câmpului magnetic, folosind programul ANSYS Maxwell 3D. Aceste simulări au arătat că aranjarea specială a polilor nord şi sud pe suprafaţa capsulei creează o direcţie dominantă a forţei magnetice. Ca urmare, capsula se aliniază uşor cu câmpul magnetic extern şi rulează uniform, cu mişcări laterale minime.
Prin comparaţie, un magnet simplu, de tip cilindru gol magnetizat uniform, nu are această orientare clară. În astfel de cazuri, mişcarea poate deveni instabilă mai uşor atunci când apar mici deviaţii de poziţie sau când capsula atinge o suprafaţă neregulată.
Eliminarea magneţilor permanenţi voluminoşi din interior păstrează spaţiul intern al capsulei. Acest volum poate fi utilizat pentru integrarea altor componente, precum camere video, senzori, rezervoare pentru medicamente sau instrumente de biopsie.
Concept abstract: capsulă robotică magnetizată, în tractul gastrointestinal
Într-un alt studiu publicat tot pe arXiv, echipa a analizat o metodă diferită de control magnetic, care presupune utilizarea unor bobine plasate în exteriorul corpului şi a unui magnet permanent montat în interiorul capsulei, pentru a regla unghiul de înclinare al acesteia.
Studiul a inclus realizarea unui model matematic al modului în care se mişcă sistemul şi combinarea informaţiilor provenite de la senzori integraţi în capsulă, care măsoară rotaţia şi acceleraţia, cu imagini obţinute din exterior, similare celor radiologice. Pentru corelarea acestor date a fost utilizat un algoritm matematic numit filtru Kalman extins, care permite estimarea precisă a poziţiei şi orientării.
Prin această metodă, numărul de imagini necesare pentru ghidarea capsulei a fost redus de zece ori, ceea ce a dus la diminuarea expunerii la radiaţii în timpul procedurii.
Potrivit autorilor, pentru a face capsula să se rotească este suficient ca direcţia câmpului magnetic extern să fie orientată în mod controlat, astfel încât dispozitivul să se alinieze şi să se învârtă. În schimb, pentru a o deplasa dintr-un loc în altul este nevoie ca intensitatea câmpului magnetic să varieze de la un punct la altul, astfel încât să apară o forţă care să o împingă sau să o tragă.
Separarea clară între mişcarea de rotaţie şi deplasarea propriu-zisă ar putea face sistemul mai versatil pentru aplicaţii medicale.
Capsula este concepută pentru a fi înghiţită şi ar putea fi utilizată pentru endoscopie activă cu navigaţie controlată, eliberare ţintită de medicamente la nivelul unor leziuni, prelevare locală de biopsii sau monitorizarea unor parametri fiziologici prin senzori integraţi în capsulă.
Autorii precizează că sistemul funcţionează fără conexiuni fizice, pe baza câmpurilor magnetice externe generate la intensităţi considerate acceptabile clinic.
Dispozitivul nu este aprobat pentru utilizare clinică, iar înainte de a fi testat la pacienţi trebuie demonstrat, prin studii dedicate, că materialele sunt compatibile cu organismul uman şi că utilizarea sa nu prezintă riscuri pentru sănătate.
Cercetătorii intenţionează să îmbunătăţească în continuare capacităţile de navigaţie magnetică, inclusiv prin creşterea intensităţii câmpurilor externe pentru a extinde distanţele parcurse.
Dezvoltarea dispozitivului presupune îmbunătăţirea controlului mişcării în tractul digestiv, reducerea dimensiunii componentelor electronice, integrarea de senzori medicali, asigurarea alimentării fără fir şi testarea în modele experimentale înainte de utilizarea la om.
Datele publicate până în prezent arată că orientarea controlată a proprietăţilor magnetice încă din etapa de imprimare 3D permite capsulei să se deplaseze stabil şi să fie ghidată precis. Sistemul a funcţionat în condiţii care imită mediul gastric, inclusiv pe suprafeţe umede sau înclinate, ceea ce reprezintă un pas înainte în controlul acestor dispozitive medicale miniaturale.
