پژوهشگران دانشگاه علوم و فناوری هوآژونگ (Huazhong University of Science and Technology) در چین موفق به توسعه یک فناوری نوین MRI شدهاند که میتواند هدایت و کنترل میکرورباتهای مغناطیسی را بهصورت بلادرنگ و بدون ایجاد آرتیفکتهای تصویری امکانپذیر کند. این دستاورد میتواند نقطه عطفی در توسعه روشهای درمانی کمتهاجمی، دارورسانی هدفمند و جراحیهای دقیق پزشکی باشد.
میکرورباتهای مغناطیسی در سالهای اخیر به یکی از حوزههای جذاب پژوهشی در پزشکی تبدیل شدهاند. این رباتهای بسیار کوچک به دلیل قابلیت حرکت در محیطهای پیچیده زیستی و واکنش به میدانهای مغناطیسی، پتانسیل بالایی برای انجام مأموریتهای درمانی در نقاطی از بدن دارند که دسترسی به آنها با ابزارهای پزشکی سنتی دشوار است. با این حال، یکی از مهمترین چالشهای استفاده عملی از این فناوری، امکان مشاهده و هدایت دقیق آنها در داخل بدن بوده است.
در این میان، فناوری MRI به دلیل توانایی تصویربرداری از بافتهای عمقی بدن با وضوح بالا، همواره بهعنوان یکی از بهترین گزینهها برای هدایت میکرورباتهای پزشکی مطرح بوده است. اما محدودیتهای فنی سیستمهای متداول MRI باعث شده بود که کنترل لحظهای این رباتها با مشکلات جدی مواجه شود.
محدودیتهای MRI در هدایت میکرورباتها
اگرچه سیستمهای MRI قادر به ارائه تصاویر بسیار دقیق از ساختارهای داخلی بدن هستند، اما سرعت تصویربرداری در روشهای متداول نسبتاً پایین است. زمان تکرار (Repetition Time) در بسیاری از توالیهای استاندارد MRI حدود ۱۰۰۰ میلیثانیه است. این تأخیر باعث میشود تصاویر با فاصله زمانی قابلتوجهی ثبت شوند و امکان کنترل دقیق و لحظهای میکرورباتها از بین برود.
علاوه بر این، تداخل میان گرادیانهای مغناطیسی مورد استفاده برای تصویربرداری و گرادیانهای مورد نیاز برای حرکت دادن رباتها، منجر به ایجاد آرتیفکتهای تصویری میشود. این آرتیفکتها میتوانند موقعیت واقعی ربات را پنهان کرده و دقت هدایت را کاهش دهند. در نتیجه، دستیابی به یک سیستم MRI که هم بتواند تصاویر سریع و باکیفیت تولید کند و هم امکان کنترل همزمان میکرورباتها را فراهم آورد، به یکی از چالشهای اصلی این حوزه تبدیل شده بود.
توسعه توالی جدید MRI با نام MFDE
برای حل این مشکل، محققان چینی یک توالی جدید MRI با نام Multi-Frequency Dual-Echo یا MFDE طراحی کردند. این فناوری زمان تکرار تصویربرداری را از حدود ۱۰۰۰ میلیثانیه به تنها ۳۰ میلیثانیه کاهش میدهد. چنین کاهش چشمگیری در زمان تصویربرداری به سیستم اجازه میدهد تقریباً بهصورت بلادرنگ از محیط داخلی بدن تصویر تهیه کند.
در این روش جدید، از دو پالس رادیوفرکانسی ۱۸۰ درجه که در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند استفاده میشود. این پالسها دو سیگنال اکو تولید میکنند که موجب تسریع فرآیند بازیابی اسپین پروتونها و افزایش سرعت تصویربرداری MRI میشوند.
یکی از مشکلات رایج در تصویربرداری با سرعت بالا، افت کیفیت سیگنال است. پژوهشگران برای رفع این مشکل از یک راهکار هوشمندانه استفاده کردند. آنها بهطور متناوب از تحریکهای فرکانسی مثبت و منفی بهره گرفتند تا اثرات حالت پایدار را کاهش داده و کیفیت تصاویر MRI را حفظ کنند.
دقت بالا و حذف آرتیفکتهای تصویری
نتایج آزمایشها نشان داد که سیستم جدید MRI میتواند موقعیت ذرات مغناطیسی را با خطای نسبی کمتر از یک درصد تعیین کند. این میزان دقت برای هدایت میکرورباتها در محیطهای پیچیده زیستی بسیار قابل توجه است.
همچنین چرخه کاری گرادیان محرک به ۷۷ درصد رسید؛ عددی که نشان میدهد بخش عمدهای از زمان سیستم به کنترل و هدایت ربات اختصاص یافته است. این موضوع باعث شد تداخل میان گرادیانهای حرکتی و گرادیانهای تصویربرداری MRI تقریباً از بین برود و تصاویر پسزمینه بدون هیچگونه آرتیفکت تولید شوند.
علاوه بر این، محققان یک الگوریتم بازسازی تصویر جدید نیز طراحی کردند. این الگوریتم آرتیفکتهای احتمالی را حذف کرده و موقعیت میکروربات را به شکل یک نقطه روشن روی تصویر پسزمینه نمایش میدهد. در نتیجه پزشکان میتوانند در تمام مدت حرکت ربات، موقعیت آن را بهصورت پیوسته و واضح مشاهده کنند.
آزمایش موفق در ماز سهبعدی
برای ارزیابی عملکرد سیستم، پژوهشگران ابتدا آزمایشهایی را در یک ماز سهبعدی پیچیده انجام دادند. در این آزمایش، میکروربات مغناطیسی تحت هدایت MRI در مسیرهای مختلف حرکت کرد و موقعیت آن بهصورت لحظهای روی نمایشگر نشان داده شد.
کنترل ربات از طریق یک جویاستیک انجام میشد و اپراتور توانست با دقت بالا مسیرهای پیچیده را طی کند. نتایج نشان داد که فناوری جدید MRI قادر است اطلاعات موقعیتی را با سرعت و دقت کافی برای کنترل زنده ربات فراهم کند.
کاربرد در مدلهای شبیهسازیشده عروق خونی
در مرحله بعد، محققان این فناوری را در مدلهای شبیهسازیشده عروق خونی آزمایش کردند. این مدلها دارای مسیرهای باریک و پیچوخمدار بودند که شباهت زیادی به ساختار واقعی رگهای خونی انسان دارند.
میکروربات توانست با موفقیت از این مسیرها عبور کند و تحت هدایت بلادرنگ MRI به نقاط هدف برسد. این نتیجه نشان میدهد که فناوری مذکور میتواند در آینده برای درمان بیماریهای عروقی، انتقال دارو به نقاط خاص بدن و انجام مداخلات پزشکی بسیار دقیق مورد استفاده قرار گیرد.
آزمایش در بدن موجود زنده
یکی از مهمترین بخشهای این پژوهش، آزمایش فناوری در یک موجود زنده بود. محققان میکروربات را در روده بزرگ یک موش قرار دادند و حرکت آن را با استفاده از سیستم MRI جدید کنترل کردند.
نتایج نشان داد که ربات توانست در محیط زیستی واقعی بهخوبی حرکت کند و موقعیت آن در تمام مدت بهصورت زنده روی تصاویر MRI قابل مشاهده بود. این دستاورد نشان میدهد که فناوری جدید میتواند در آینده به توسعه روشهای جایگزین برای برخی فرآیندهای تشخیصی و درمانی مانند کولونوسکوپی کمک کند.
آینده پزشکی با MRI و میکرورباتها
پژوهشگران معتقدند فناوری MFDE گام مهمی در مسیر ادغام MRI و رباتیک پزشکی به شمار میرود. این فناوری نهتنها مشکل قدیمی تعادل میان سرعت و کیفیت تصویربرداری را حل کرده، بلکه امکان هدایت دقیق میکرورباتها را نیز فراهم آورده است.
در آینده، این فناوری میتواند راه را برای انجام جراحیهای کمتهاجمی، درمانهای هدفمند سرطان، انتقال دقیق دارو به بافتهای آسیبدیده و بسیاری از کاربردهای پیشرفته پزشکی هموار کند. ترکیب توانمندیهای تصویربرداری MRI با قابلیتهای میکرورباتهای مغناطیسی، چشمانداز جدیدی را برای پزشکی هوشمند و درمانهای شخصیسازیشده ترسیم میکند.