MRI-powered Magnetic Miniature Capsule Robot with HIFU-controlled On-demand Drug Delivery

磁共振成像 机器人 生物医学工程 胶囊 药物输送 计算机科学 靶向给药 扫描仪 材料科学 医学 人工智能 放射科 纳米技术 生物 植物
作者
Mehmet Tiryaki,Fatih Doğangün,Cem Balda Dayan,Paul Wrede,Metin Sitti
标识
DOI:10.1109/icra48891.2023.10161197
摘要

Magnetic resonance imaging (MRI)-guided robotic systems offer great potential for new minimally invasive medical tools, including MRI-powered miniature robots. By re-purposing the imaging hardware of an MRI scanner, the magnetic miniature robot could be navigated into the remote part of the patient's body without needing tethered endoscopic tools. However, state-of-art MRI-powered magnetic miniature robots have limited functionality besides navigation. Here, we propose an MRI-powered magnetic miniature capsule robot benefiting from acoustic streaming forces generated by MRI-guided high-intensity focus ultrasound (HIFU) for controlled drug release. Our design comprises a polymer capsule shell with a submillimeter-diameter drug-release hole that captures an air bubble functioning as a stopper. We use the HIFU pulse to initiate drug release by removing the air bubble once the capsule robot reaches the target location. By controlling acoustic pressure, we also regulate the drug release rate for multiple locations targeting during navigation. We demonstrated that the proposed magnetic capsule robot could travel at high speed, up to 1.13 cm/s in ex vivo porcine small intestine, and release drug to multiple target sites in a single operation, using a combination of MRI-powered actuation and HIFU-controlled release. The proposed MRI-guided microrobotic drug release system will greatly impact minimally invasive medical procedures by allowing on-demand targeted drug delivery.
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