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Oct 16, 2023

Magnetische Führungsdrahtlenkung bei ultrahohen Magnetfeldern für die medizinische Bildgebung

12. Mai 2023

Feature vom 12. Mai 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Medical Xpress

Physiker und Bioingenieure können magnetisch angetriebene Führungsdrähte mithilfe einer magnetischen Fernsteuerung manipulieren und so minimalinvasive medizinische Eingriffe durchführen. Magnetische Steuerungsstrategien werden derzeit durch niedrige Magnetfelder eingeschränkt, was ihre Integration in medizinische Systeme, die mit ultrahohen Feldern arbeiten, einschließlich Magnetresonanztomographen (MRT), verhindert. In einer neuen Studie, die jetzt in Science Advances veröffentlicht wurde, entwickelten Mehmet Tiryaki und ein Forschungsteam der Abteilungen für physikalische Intelligenz, Biomedizintechnik und Medizin in Deutschland, der Schweiz und der Türkei ein magnetisches Führungsdrahtdesign sowie Steuerungsstrategien bei ultrahohen Feldern.

Die Arbeit zeigte einen umfangreichen Forschungsumfang sowie ihr Potenzial für eine In-situ-Remagnetisierung. Die Ergebnisse veranschaulichten die Steuerungsprinzipien der magnetischen Führung aus Neodym-Magneten und einem Glasfaserstab in einem präklinischen Magnetresonanztomographen. Das neu entwickelte Ultrahochfeld-Magnetbetätigungs-Framework kann die magnetische Automatisierung der nächsten Generation für den Einsatz in klinischen MRT-Scannern ermöglichen.

Trotz einer jahrzehntelangen Entwicklung von Methoden zur Magnetresonanztomographie weist die Technologie im Vergleich zur Röntgendurchleuchtung Mängel auf. Obwohl die MRT aufgrund ihrer Abwesenheit von ionisierender Strahlung und ihres überlegenen Weichteilkontrasts eine fortschrittlichere Alternative darstellt. Das MRT-System ist derzeit durch den Arbeitsbereich im Scanner und seine geringere Auflösung begrenzt, was zu einer Reihe neuer Vorschläge zur Verbesserung der Methode führt.

Beispielsweise kann ein vollständig ferngesteuerter MRT-gestützter Betätigungsansatz einen ferromagnetischen Permanentmagneten für eine intuitive dreidimensionale (3D) Steuerung integrieren. Allerdings erfordert die Methode Echtzeit-Softwarezugriff und zusätzliche Leistung, um in einem MRT-Scanner zu funktionieren. In dieser Arbeit präsentierten Tiryaki und Kollegen eine Lenkstrategie für magnetische Ultrahochfeld-Führungsdrähte im MRT-Scanner und demonstrierten deren Lenkfähigkeit in physiologisch relevanten 3D-Gefäßphantomen mit arteriellem Fluss sowie während der MRT-Untersuchung der Niere eines Tiermodells.

Permanentmagnete wie Neodym-Magnete werden üblicherweise bei der magnetischen Betätigung für hohe magnetische Drehmomente und Kraftübertragung bei niedrigen Magnetfeldern verwendet. Permanentmagnete werden mit einem konstanten Magnetisierungsvektor entwickelt, der bei niedrigen Magnetfeldern auf die leichte Achse des Magneten ausgerichtet ist. Während Physiker die magnetische Theorie von Permanentmagneten bei ultrahohen Feldern untersucht haben, müssen sie weiterhin die Auswirkungen des Konzepts während der automatisierten magnetischen Betätigung untersuchen.

Beispielsweise nehmen Permanentmagnete bei ultrahohen Feldern die Form von Weichmagneten an. Das Team untersuchte daher den Magnetisierungsvektor und berechnete die magnetische Kraft und das Drehmoment, die auf Permanentmagnete wirken. Sie konzentrierten sich auf Neodym-Massenmagnete und verwendeten ein vibrierendes Probenmagnetometer, um magnetische Materialkonstanten abzuleiten, und untersuchten die Auswirkungen der magnetischen Hysterese, um die Stärke der Magnetisierung zu überprüfen.

Tiryaki und Kollegen haben das Magnetfeld und den magnetischen Gradienten im MRT-Scanner gemessen, um magnetisches Drehmoment und magnetische Kraft zu modellieren. Sie berechneten den Magnetisierungswinkel und das Drehmoment, die bei ultrahohen Feldern auf den Permanentmagneten wirken, untersuchten das Design des begleitenden flexiblen Konstrukts, das den elastischen Kern des Führungsdrahts bildete, und optimierten die Steifigkeit des flexiblen Körpers, um Führungsdrähte magnetisch zu betätigen und die magnetische Betätigung zu manövrieren System.

Das Team nutzte Open-Source-Software und entwickelte eine dynamische Simulation des Cosserat-Stabmodells, um die Form des Führungsdrahts nachzuahmen und elastische und Gravitationskräfte einzubeziehen, um deren Einfluss auf die magnetische Kraft und das Drehmoment der MRT zu verstehen. Sie führten Biegesimulationen durch, um die Young-Module und andere Parameter zu validieren, die der Führungsdrahtdynamik zugrunde liegen, um die magnetischen Führungsdrähte proaktiv nutzen zu können.

Die Wissenschaftler untersuchten verschiedene automatisierte magnetische Betätigungssysteme mit hohen Freiheitsgraden, um eine magnetische Führungsdrahtsteuerung bei niedrigen Feldern zu erreichen. In Ermangelung hoher Freiheitsgrade führten Wechselwirkungen zwischen dem magnetischen Betätigungssystem und ultrahohen Feldern zu einer blockierten Führung des Führungsdrahts im MRT-Scanner. Das Team untersuchte daher die Kardinalkonfigurationen des Führungsdrahts, um diesen Effekt zu verstehen, und platzierte die Permanentmagnete parallel, senkrecht und antiparallel zur Spitze des Führungsdrahts.

Tiryaki und Kollegen erkundeten verschiedene Lenkmodi mit manueller Einführung des Führungsdrahts in den MRT-Scanner, um verschiedene Navigationsaufgaben auszuführen. Das Konzept der In-situ-Ummagnetisierung bei ultrahohen Feldern führte zu einem noch interessanteren magnetischen Führungsdrahtdesign mit doppelter Stabilität, mit zwei Permanentmagneten an der Spitze des Führungsdrahts, um verschiedene Lenkexperimente in einer zweidimensionalen Ebene durchzuführen.

Das Team führte Steuerungsexperimente in einer realistischen 3D-Gefäßarchitektur der Nierenarterien, des Aortenbogens, der Arteria carotis communis und der mittleren Hirnarterien durch und emulierte gleichzeitig den arteriellen Fluss mit einer Herzflusssimulationspumpe. Die Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit, 3D-Gefässe in verschiedenen Situationen für klinische Anwendungen zu navigieren.

Darüber hinaus untersuchten sie die magnetische Betätigung durch Ultrahochfelder während der MRT, indem sie Ex-vivo-Führungsexperimente zur Steuerung von Führungsdrähten in der Nierenhöhle einer Schweineniere durchführten, wobei Führungsdrähte in unterschiedlichen magnetischen Konfigurationen auf verschiedene Regionen des Organs zielten. Sie führten eine präklinische MRT durch, um die Grenzen der Nierenhöhle zu beobachten, gefolgt von einer Reihe von Visualisierungsexperimenten über die Nierenhöhle, den unteren Kelch und den oberen Kelch, um die Steuerungskapazität des Führungsdrahts zu untersuchen.

Auf diese Weise führten Mehmet Tiryaki und Kollegen das Konzept der magnetischen Steuerung mit magnetischen Führungsdrähten bei ultrahohen Feldern ein. Sie kombinierten die Theorie des Magnetismus mit der Mechanik, um Konstruktionsprinzipien für verbesserte Lenkfähigkeiten im MRT-Scanner zu etablieren.

Mithilfe einer Reihe von 3D-Navigationsschritten ermittelten die Physiker die Machbarkeit der magnetischen Lenkung während der MRT-Bildgebung. Sie gehen davon aus, dass die neue Methode der Ultrahochfeldbetätigung klinische Szenarien während MRT-Eingriffen beeinflussen wird, um schließlich die für automatisierte klinische Interventionspraktiken erforderliche physische Intelligenz zu ermöglichen.

Mehr Informationen: Mehmet Efe Tiryaki et al., Magnetische Führungsdrahtlenkung bei ultrahohen Magnetfeldern, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg6438

Martin Francis Phelan et al., Heat-Mitigated Design and Lorentz Force-Based Steering of an MRI-Driven Microcatheter into Minimally Invasive Surgery, Advanced Science (2022). DOI: 10.1002/advs.202105352

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