ربات کپسولی مغناطیسی؛ آندوسکوپی بدون درد و کنترل‌شده در اندازه یک قرص!

به گزارش گروه ترجمه رکنا، به نقل از آی سی تی هلث، این پژوهش که در پیش‌چاپی در arXiv توصیف شده است، بر ناوبری مغناطیسی و کنترل چرخشی یک کپسول در اندازه قرص تمرکز دارد که برای حرکت قابل‌اعتماد در معده و سایر بخش‌های دستگاه گوارش طراحی شده است.

یک انگیزه شخصی برای نوآوری

این تحقیق به سرپرستی فانگژو شیا، مدیر آزمایشگاه MINIMAX و نویسنده ارشد مقاله، انجام شده است. انگیزه او ریشه در تجربه‌ای شخصی دارد. شیا به Medical Xpress گفت: «انگیزه من برای پایش سلامت دستگاه گوارش عمیقاً شخصی است. در سال ۲۰۲۲، زمانی که پژوهشگر پسادکتری در MIT بودم، یک عارضه شدید گوارشی را تجربه کردم که شامل انسداد مکرر مجرای صفراوی ناشی از سنگ کیسه صفرا بود و در نهایت به جراحی برداشت کیسه صفرا انجامید.»

عوارض، از جمله ابتلای همزمان به کووید-۱۹، به چندین مراجعه به اورژانس و انجام مکرر روش کلانژیوپانکراتوگرافی رتروگراد آندوسکوپیک (ERCP) منجر شد. او گفت: «انجام چندین ERCP مرا به‌خوبی از میزان تهاجمی بودن روش‌های آندوسکوپی آگاه کرد، از جمله تحریک قابل‌توجه گلو، ناراحتی و بار فرایندی، با وجود آنکه این اقدامات برای ضرورت‌های تشخیصی و درمانی انجام می‌شد.»

این تجربه‌ها شیا را بر آن داشت تا به بررسی گزینه‌هایی بپردازد که بتواند وابستگی به آندوسکوپی متداول را با فراهم کردن دسترسی کنترل‌شده و کم‌تهاجمی‌تر به نواحی مورد نظر در دستگاه گوارش کاهش دهد.

رباتیک مغناطیسی در ابعاد یک قرص

این ربات کپسولی به گونه‌ای طراحی شده است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی خارجی هدایت شود. به جای تعبیه یک آهنربای دائمی حجیم درون کپسول، تیم پژوهشی پوسته خارجی آن را با یک ماده مغناطیسی نرم پوشش داد. ذرات مغناطیسی NdFeB با سیلیکون نرم ترکیب شدند و پوسته کپسول در حالی که جهت مغناطش در زمان لایه‌گذاری به‌طور فعال کنترل می‌شد، چاپ سه‌بعدی شد. شیا توضیح داد: «این کار یک الگوی توزیع میدان مغناطیسی NSSN/SNNS بهینه ایجاد کرد.»

این ناهمسانگردی الگوگذاری‌شده یک گشتاور مغناطیسی خالص قوی و مشخص ایجاد می‌کند که با یک میدان مغناطیسی خارجی چرخان هم‌راستا می‌شود. در نتیجه، کپسول می‌تواند به‌صورت دوطرفه غلت بزند، به‌نرمی بچرخد و روی سطوح شیب‌دار یا بافت‌دار پایداری خود را حفظ کند، بدون آنکه به الگوریتم‌های پیچیده کنترل بازخورد نیاز داشته باشد.

شیا گفت: «برای کنترل غلت و انحراف با آهنرباهای دائمی خارجی، تمرکز ما بر استفاده از یک پوسته مغناطیسی پیرامون کپسول بود تا اجزای داخلی فضای پیوسته‌تری در اختیار داشته باشند.» این آرایش که از مفهوم آرایه هالباخ الهام گرفته شده، اثرات میدان مغناطیسی را در یک سمت متمرکز می‌کند و پایداری و هم‌راستایی را افزایش می‌دهد. با حذف آهنرباهای حجیم داخلی، حجم داخلی برای بارهای کاربردی مانند دوربین‌ها، حسگرها، مخازن دارویی یا ابزارهای نمونه‌برداری حفظ می‌شود.

کاهش مواجهه با پرتو از طریق کنترل هوشمندانه‌تر

در پژوهشی موازی که آن نیز به‌صورت پیش‌چاپ در arXiv منتشر شده است، این تیم یک سازوکار تحریک مکمل با استفاده از سیم‌پیچ‌های خارجی و یک آهنربای دائمی درون کپسول برای کنترل گام بررسی کرد. یکی از عناصر کلیدی، مدل‌سازی پویای سامانه در ترکیب با ادغام حسگرها است.

با ادغام واحدهای اندازه‌گیری اینرسی درون‌کپسولی با تصاویر دوربین خارجی که تصویربرداری اشعه ایکس را شبیه‌سازی می‌کند، و به‌کارگیری فیلتر کالمن توسعه‌یافته، پژوهشگران توانستند نرخ فریم مورد نیاز را به میزان یک مرتبه بزرگی کاهش دهند. این رویکرد می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی مواجهه با پرتو در هنگام ناوبری را کاهش دهد. این روش در آینده با مفهوم پوشش مغناطیسی نرم ادغام خواهد شد. شیا گفت: «هدف اصلی تلاش‌های اخیر ما بررسی کنترل زاویه‌ای غلت/گام/انحراف برای حرکت مبتنی بر چرخش بود.»

شبیه‌سازی و آزمون پایداری

با استفاده از شبیه‌سازی‌های مغناطواستاتیک سه‌بعدی ANSYS Maxwell، تیم پژوهشی نشان داد که توزیع قطب‌های انتخاب‌شده آن‌ها ناهمسانگردی مغناطیسی قوی و یک گشتاور مغناطیسی برآیند مشخص ایجاد می‌کند. شیا توضیح داد: «در مقابل، یک آهنربای استوانه‌ای توخالی ساده (یا پوسته با مغناطش یکنواخت) معمولاً پاسخ میدان/گشتاور متقارن‌تری تولید می‌کند که در برابر جابه‌جایی‌ها، گرادیان‌های موضعی میدان یا اختلالات تماسی آسان‌تر بی‌ثبات می‌شود و اغلب برای جلوگیری از لغزش، رانش انحرافی یا غلت نامنظم به هم‌راستاسازی دقیق‌تر تحریک یا کنترل اضافی نیاز دارد.»

تیم پژوهشی حرکت ربات را روی سطوح صاف، شیب‌دار، خشک و مرطوب با بافت‌های مختلف برای شبیه‌سازی محیط معده اعتبارسنجی کرد و حرکت پایدار و مقاوم در شرایط گوناگون را به نمایش گذاشت.

به سوی کاربرد بالینی

پیش از به‌کارگیری بالینی، باید زیست‌سازگاری و ایمنی این کپسول اثبات شود. با این حال، تحریک مغناطیسی بی‌سیم این سامانه که از میدان‌های مغناطیسی خارجی با شدت‌های قابل‌قبول بالینی استفاده می‌کند، مسیر مقیاس‌پذیری برای ربات‌های کپسولی حامل بار کاربردی فراهم می‌سازد. شیا گفت: «کاربردهای بالقوه ربات ما شامل آندوسکوپی کپسولی فعال با ناوبری کنترل‌شده، آزادسازی هدفمند دارو در محل ضایعه، نمونه‌برداری موضعی و در آینده، پایش سیگنال‌های فیزیولوژیک با حسگرهای تعبیه‌شده است.»

پژوهش‌های آینده بر بهبود ناوبری مغناطیسی، افزایش شدت میدان خارجی برای گسترش برد و کوچک‌سازی بیشتر الکترونیک داخلی تمرکز خواهد داشت. حوزه‌های توسعه دیگر شامل ابزارگذاری مبدل‌ها، شارژ بی‌سیم و اعتبارسنجی در مدل‌های فانتوم پزشکی و حیوانی است. شیا خاطرنشان کرد: «توسعه ربات کپسولی برای پایش سلامت دستگاه گوارش یک تلاش مهندسی سامانه‌ای با اجزای زیربنایی گوناگون است.»

شیا در نگاهی گسترده‌تر به زمینه تاریخی این پروژه گفت: «از زمان سخنرانی مشهور دکتر ریچارد فاینمن درباره نانوفناوری بیش از ۶۰ سال می‌گذرد و اکنون در آستانه لحظه‌ای سرنوشت‌ساز برای تحقق ایده‌های علمی‌تخیلی مطرح‌شده در آن سخنرانی، مانند “بلعیدن جراح” برای درمان درون بدن، قرار داریم.»

با بلوغ فناوری‌های کوچک‌سازی، پلتفرم‌های رباتیک بلعیدنی ممکن است شیوه تشخیص و درمان اختلالات دستگاه گوارش را دگرگون کنند و در عین کاهش تهاجمی بودن، دقت درمانی را گسترش دهند.

سوال های متداول مخاطبان

ربات کپسولی چگونه در معده حرکت می‌کند؟
این کپسول با ناوبری مغناطیسی خارجی هدایت می‌شود و پوسته مغناطیسی آن امکان چرخش نرم و پایدار روی سطوح شیب‌دار یا بافت‌دار را فراهم می‌کند.

آیا این روش جایگزین آندوسکوپی متداول می‌شود؟
هدف این فناوری کاهش تهاجمی بودن آندوسکوپی و ارائه دسترسی کنترل‌شده و کم‌تهاجمی‌تر به نواحی مورد نظر دستگاه گوارش است.

این ربات چه کاربردهای بالینی دارد؟
کاربردهای بالقوه شامل آندوسکوپی فعال، آزادسازی هدفمند دارو، نمونه‌برداری موضعی و پایش سیگنال‌های فیزیولوژیک با حسگرهای داخلی است.

ربات چگونه از لغزش یا حرکت نامنظم جلوگیری می‌کند؟
با طراحی پوسته مغناطیسی توزیع‌شده و الگوریتم‌های کنترل، گشتاور مغناطیسی مشخص و پایدار ایجاد می‌شود که حرکت نرم و همگرا روی بافت‌ها را تضمین می‌کند.

آیا این فناوری بی‌خطر است؟
پیش از استفاده بالینی، زیست‌سازگاری و ایمنی کپسول باید اثبات شود. میدان‌های مغناطیسی خارجی استفاده شده در محدوده شدت قابل قبول بالینی هستند.