Winzige Roboter sollen sich künftig selbstständig durch den Körper bewegen und Medikamente transportieren, Messungen in Geweben vornehmen oder chirurgische Eingriffe durchführen. Doch um ihre Bewegung zu kontrollieren und medizinische Aufgaben zu erfüllen, ist es wichtig, ihre genaue Position im Körper während der Operation identifizieren zu können. Das war jedoch bislang eine große Herausforderung für die Entwickler von biomedizinischen Implantaten und minimalinvasiven chirurgischen Instrumenten. Wissenschaftler vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) haben nun ein drahtloses Sensorverfahren auf Basis eines oszillierenden Magneten erfunden, das solche medizinischen Anwendungen deutlich verbessern soll.
Herkömmliche Bildgebung wenig geeignet
Es wurden zwar bereits magnetisch angetriebene Mikro- oder Nanoroboter entwickelt, die durch den Muskel, den Glaskörper des Auges oder das Blutgefäßsystem navigieren können. Allerdings mangelt es dabei an ausgereiften Systemen, mit denen die Aktivitäten der Roboter tief im Körpergewebe in Echtzeit mitverfolgt und kontrolliert werden können. Herkömmliche bildgebende Verfahren sind nur bedingt geeignet. Die Magnetresonanztomografie (MRT) etwa hat eine zu geringe zeitliche Auflösung, die Computertomografie (CT) ist mit einer Strahlenbelastung verbunden und beim Ultraschall limitiert die starke Streuung der Schallwellen die räumliche Auflösung.
Lösung mit magnetischem Oszillator
Mit einer neu entwickelten Methode beschreibt das Team um Tian Qiu von DKFZ, Standort Dresden, einen Lösungsansatz für dieses Problem. Das winzige Gerät, das die Wissenschaftler entwickelt haben, basiert auf einem magnetischen Oszillator, also einem mechanisch schwingenden Magneten, der sich in einem millimetergroßen Gehäuse befindet. Ein äußeres Magnetfeld kann den Magneten mechanisch zur Schwingung anregen. Wenn die Schwingung abklingt, kann dieses Signal mit Magnetsensoren erfasst werden. Das Grundprinzip ist vergleichbar mit der Kernspinresonanz in der MRT. Die Forscher bezeichnen die Methode als „Small-Scale Magneto-Oscillatory Localization“ (SMOL).
Position und Orientierung in Echtzeit bestimmbar
Mit SMOL könne die Position und Orientierung des kleinen Gerätes in großer Entfernung (über 10 cm), sehr genau (weniger als 1 mm) und in Echtzeit bestimmt werden. Im Gegensatz zu Tracking-Verfahren, die auf statischen Magneten basieren, könne SMOL Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden, also allen Raum- und Winkelkoordinaten, erfassen – und das mit deutlich höherer Signalqualität, betonen die Forscher. Da das Gerät nur schwache Magnetfelder erzeuge und benötige, sei es für den Körper unbedenklich. Zudem arbeite es kabellos und sei mit vielen herkömmlichen Geräten und bildgebenden Verfahren kompatibel.
System bereits in Miniaturroboter integriert
„Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten für die SMOL-Methode“, sagt Felix Fischer, Erstautor der Publikation. „Wir haben das System bereits in Miniaturroboter und Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie integriert. Denkbar wäre eine Kombination mit Kapselendoskopen oder die Markierung von Tumoren für eine sehr präzise Therapie. Auch für vollautomatisierte Operationsroboter oder Augmented-Reality-Anwendungen könnte unsere Methode einen entscheidenden Vorteil bringen.“ SMOL benötige nur eine vergleichsweise einfache technische Ausstattung. „Aufgrund seiner Abmessungen im Millimeterbereich lässt sich der Oszillator in viele bestehende medizinische Instrumente integrieren, und der Tracker kann noch weiter miniaturisiert werden. Unsere Technik hat dank ihrer präzisen räumlichen und zeitlichen Auflösung das Potenzial, viele interventionelle Verfahren in Zukunft deutlich voranzubringen“, erklärt Qiu, der Seniorautor der Publikation.
Quelle: DKFZ
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