通過外部驅(qū)動源對動脈中的微或納米機(jī)器人進(jìn)行靶向?qū)Ш降募夹g(shù)可用于診斷、靶向治療和干預(yù)，在提高藥物傳遞的選擇性方面提供巨大前景，特別是在腫瘤學(xué)中，但目前的磁場力很難在人體內(nèi)有足夠的力量來維持以實現(xiàn)這種操作。因此，加拿大蒙特利爾大學(xué)Ning Li、Gilles Soulez和加拿大麥吉爾大學(xué)Sylvain Martel、上海大學(xué)張泉提出了一種算法來預(yù)測血管內(nèi)微型機(jī)器人導(dǎo)航過程中患者的最佳重力位置。利用臨床磁共振成像（MRI）中的磁場梯度進(jìn)行磁共振導(dǎo)航，并與該算法相結(jié)合，提高磁性微型機(jī)器人（MMRs）的靶向效率。使用專用的微粒注射器、高精度MRI兼容的球囊充氣系統(tǒng)和臨床MRI，MMRs成功地通過活豬的肝動脈進(jìn)入目標(biāo)肝葉。微型機(jī)器人在右肝葉的分布比例從47.7增加到86.4%，在左肝葉的分布比例從52.2增加到84.1%。在通過多個血管分叉后，導(dǎo)航組到達(dá)4個不同靶向肝葉的MMRs數(shù)量比對照組增加1.7-2.6倍。對19例肝細(xì)胞癌（HCC）患者進(jìn)行模擬表明，所提出的技術(shù)可以滿足HCC患者肝栓塞的需要。本研究提出的技術(shù)為基于驅(qū)動器的微型機(jī)器人導(dǎo)航提供了可選擇的方向。
相關(guān)研究成果以“Human-scale navigation of magnetic microrobots in hepatic arteries”為題于近日發(fā)表在《Science Robotics》上。
圖1 微型機(jī)器人在體內(nèi)的導(dǎo)航示意圖
利用錐形光束計算機(jī)斷層掃描（CBCT）和三維（3D）數(shù)字減影血管造影術(shù)（DSA）分割對比度圖像，可以得到肝血管樹的遠(yuǎn)端分支。在仰臥位（0°）、右側(cè)外側(cè)（90°）、俯臥位（180°）和左側(cè)外側(cè)位（270°）（圖1a，仰臥位）獲取容積圖像。然后檢查身體旋轉(zhuǎn)角度的范圍，特別是通路有利于重力向目標(biāo)肝葉（右外側(cè)+尾狀葉（RLL + CL），右內(nèi)側(cè)葉（RML），左內(nèi)側(cè)葉（LML），或左外側(cè)葉（LLL）），同時確保α保持小于0（圖1B）。球囊腔連接到高精度MR兼容膨脹裝置，將磁共振導(dǎo)航（MRN）的流速從40降低到8 cm/s（圖1C）。
圖2 實驗中使用的磁性微型機(jī)器人
MMRs的制備主要有兩個步驟：制備超順磁性納米顆粒（圖2A），并將其封裝到PLGA材料中（圖2B）。MMRs在0T時沒有遲滯，說明是真正的超順磁性，在2T時磁化飽和值為36 emu/g（EV9，微感）（圖2C）。
圖3 無磁場血管造影室注射后MMR的肝臟分布
將2000根MMRs通過4-French導(dǎo)管直接釋放到豬的固有肝動脈中，然后采集肝臟，用T1-VIBE圖像進(jìn)行成像。如圖3所示，這些顆粒大部分均勻分布在四個肝葉中（RLL + CL、RML、LML和LLL）。這些顆粒主要集中在肝臟的外周區(qū)域，提示它們栓塞了小動脈。
圖4 針對不同肝葉獲得最佳旋轉(zhuǎn)角度的工作流程
本研究開發(fā)了一個算法和一個流程圖來確定患者的最佳位置。圖4給出了計算結(jié)果，顯示基于不同血管樹（圖4A、C）針對8號豬的不同肝葉獲得的最佳身體旋轉(zhuǎn)角度的范圍（圖4D-G）。對于導(dǎo)航組中的其他7頭豬，血管分割和最佳旋轉(zhuǎn)角度與圖4B、D-G的結(jié)果相似。
圖5 控制和測量血流的程序
高流速會降低MRN的效率，因為在較短時間內(nèi)，微弱的磁轉(zhuǎn)向力沒有足夠的時間向目標(biāo)葉瓣偏轉(zhuǎn)。另一方面，低流量會導(dǎo)致微型機(jī)器人由于重力和摩擦而粘附在血管底部。肝主動脈的血流速率應(yīng)在0.5~1.0 ml/s之間，以優(yōu)化MRN。圖5說明了測量血流速率的程序。從肝固有動脈橫切面的影像相位對比圖像中測量血流率，氣球充氣后控制流量為0.7 ± 0.3 ml/s。
圖6 豬體內(nèi)微型機(jī)器人誘導(dǎo)的偽影定量和3D定位
MMR注射完成后，將豬從MRI視野中移出30秒，然后移回。在T1-VIBE圖像上驗證了偽影的位置（圖6A）。為了更好地識別這些偽影分布，使用3D-Slicer對用CBCT圖像分割出3D肝血管樹在分割后的MRA圖像上進(jìn)行嚴(yán)格的影像融合（圖6B）。這樣就可以根據(jù)偽影的體積及其與肝動脈和四個肝葉的相對空間關(guān)系分析顆粒的分布（圖6C-E）。
圖7 利用該算法模擬人體肝臟解剖圖譜中的MRN
無論肝臟分型如何，HCC結(jié)節(jié)的位置都主要發(fā)生在內(nèi)側(cè)葉。從這個圖譜中，根據(jù)本研究提出的算法，確定了可以跨越到達(dá)腫瘤的分叉總數(shù)的數(shù)量。圖7顯示圖譜中的HCC患者示例。如果患者右側(cè)（光學(xué)患者體位在22°-110°之間），可以跨越朝向目標(biāo)分支的前三個分支。無論患者的位置如何，都不能到達(dá)最后一個分叉（第四個）。
綜上，本文提出了一種算法來確定患者的最佳位置，將有利于重力朝向目標(biāo)血管分支；也就是說重力不會對導(dǎo)航產(chǎn)生負(fù)面影響，而是作為一種額外的導(dǎo)航力，使導(dǎo)航更容易。在12頭豬身上進(jìn)行一項可行性研究，表明當(dāng)與重力結(jié)合時，MMRs的MRN是可能的，證明了在臨床MRI中導(dǎo)航MMR靶向特定肝葉的可行性。因此，該技術(shù)可以提高基于外部驅(qū)動器的各種目標(biāo)導(dǎo)航技術(shù)的效率，包括但不限于磁性導(dǎo)航。
文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh8702
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