Eine neue Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „Engineering“, präsentiert einen neuartigen Ansatz für die artefaktfreie Echtzeit-Navigation magnetischer Roboter mittels Magnetresonanztomographie (MRT) und bietet damit bedeutende Fortschritte im Bereich minimalinvasiver medizinischer Eingriffe. Forscher der Huazhong University of Science and Technology in China haben eine Multifrequenz-Dual-Echo-MRT-Sequenz (MFDE) entwickelt, die eine präzise Verfolgung magnetischer Roboter mit einer Repetitionszeit (TR) von nur 30 Millisekunden ermöglicht – eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen MRT-Sequenzen.
Magnetische Mikroroboter bergen aufgrund ihrer geringen Größe, Flexibilität und Zielgenauigkeit großes Potenzial für minimalinvasive Therapien, gezielte Wirkstoffverabreichung und theranostische Interventionen. Die Echtzeitsteuerung und hochauflösende Bildgebung stellten jedoch aufgrund der systembedingten Einschränkungen von MRT-Sequenzen, die typischerweise lange Repetitionszeiten (um die 1000 Millisekunden) für klare Bilder benötigen, lange Zeit eine Herausforderung dar. Diese Verzögerung beeinträchtigt nicht nur die Genauigkeit der Roboterverfolgung, sondern begrenzt auch den Arbeitszyklus des Ansteuergradienten, was manuelle Eingriffe in Echtzeit erschwert.
Das Forschungsteam begegnete diesen Herausforderungen durch die Einführung einer Multifrequenz-Anregungssequenz mit Dual-Echo (MFDE), die die Repetitionszeit (TR) auf 30 Millisekunden reduziert. Diese Sequenz nutzt zwei benachbarte 180°-Hochfrequenzimpulse (HF-Impulse) zur Erzeugung von Dual-Echos und beschleunigt so die Protonenspin-Regeneration deutlich. Zusätzlich werden alternierende positive und negative Offset-Frequenzanregungen eingesetzt, um die durch den Steady-State-Effekt bedingte geringe Signalintensität zu überwinden und so auch bei solch kurzer TR eine hohe Bildqualität zu gewährleisten.
Die Studie zeigt, dass die MFDE-Sequenz eine präzise Positionierung magnetischer Partikel mit einem relativen Fehler von unter 1 % ermöglicht, während der Tastgradient 77 % erreicht. Dadurch wird der Einfluss der Bildgebungsgradienten auf die Roboterbewegung eliminiert und eine artefaktfreie Hintergrundbildgebung erzielt. Die Forscher entwickelten außerdem einen Rekonstruktionsalgorithmus, der Artefakte durch helle Punkte auf einem zuvor erfassten Hintergrund ersetzt und so Echtzeit-Feedback und eine präzise Steuerung des Magnetroboters ermöglicht.
Um die Machbarkeit und Effektivität ihres Ansatzes zu validieren, führten die Forscher Experimente in verschiedenen Umgebungen durch, darunter Labyrinthnavigation, endovaskuläre Phantomnavigation und In-vivo -Versuche im Dickdarm einer Ratte. Im Labyrinthnavigationsexperiment wurde der Magnetroboter erfolgreich durch ein komplexes dreidimensionales Labyrinth geführt, wobei seine Position in Echtzeit auf einer Drei-Ansichten-Bildgebungsplattform angezeigt wurde. Die Bewegung des Roboters wurde mittels eines Joysticks gesteuert, was präzise Anpassungen in Echtzeit ermöglichte.
In der Phantom-Endovaskulärnavigation konnte der Magnetroboter mit hoher Genauigkeit durch gewundene Gefäße navigieren und demonstrierte damit sein Potenzial für vaskuläre Interventionen. Die In-vivo -Studien am Dickdarm einer Ratte zeigten zudem die Fähigkeit der Technologie, sich in komplexen biologischen Umgebungen zurechtzufinden und bieten eine vielversprechende Alternative zur herkömmlichen Koloskopie.
Quelle
https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.04.027
