Колоноскопия будущего — без трубок и боли. Ученые успешно протестировали управление микророботом в живом организме

Представьте микроробота размером с песчинку, который движется внутри организма, а врач видит его почти как на видеотрансляции и может буквально «рулить» им в реальном времени. Исследователи из Хуачжунского университета науки и технологий в Китае сообщили о новой методике МРТ, которая позволяет быстро и без помех отслеживать магнитных микророботов прямо во время движения.

Магнитные микророботы давно считают перспективным инструментом для малоинвазивной медицины: они потенциально могут доставлять лекарства точно в нужную область, участвовать в точечных терапиях и в так называемых тераностических процедурах, где диагностика и лечение идут вместе. Их главный плюс в том, что из-за малого размера и управляемости магнитным полем они способны проходить через сложные биологические «лабиринты», куда обычными инструментами добраться трудно. А МРТ для навигации кажется идеальным вариантом, потому что она «видит» глубоко в тканях и даёт хорошее пространственное разрешение.

Проблема была в скорости. Классические МРТ-последовательности часто работают с временем повторения около 1000 миллисекунд, из-за чего картинка обновляется слишком медленно для точного управления, появляются артефакты, а градиенты, которые нужны для съёмки, начинают мешать магнитным градиентам, которыми двигают робота. В результате во время живой процедуры становится сложно совместить нормальное изображение и уверенное управление.

Команда предложила последовательность multi-frequency dual-echo (MFDE), которая сокращает время повторения до 30 миллисекунд, то есть приближает визуализацию к режиму реального времени. Ускорение достигается за счёт двух соседних 180-градусных радиочастотных импульсов, формирующих два эха и помогающих быстрее «восстанавливать» спиновые состояния протонов. При столь коротких временах повторения обычно проседает сигнал из-за эффектов стационарного режима, и чтобы не терять качество, исследователи чередовали возбуждения с положительным и отрицательным смещением частоты. В итоге позиционирование магнитной частицы удалось довести до относительной ошибки менее 1 процента.

Отдельно авторы подчёркивают, что рабочий цикл управляющего градиента достиг 77 процентов. Это снизило взаимные помехи между градиентами визуализации и движением робота и позволило получать «чистый» фон без артефактов. Дополнительно они разработали алгоритм реконструкции, который берёт заранее полученное фоновое изображение и во время движения заменяет артефакты яркими метками, фактически подсвечивая актуальную позицию робота и сохраняя непрерывную визуализацию.

Технику проверили серией экспериментов, начиная с навигации в сложном трёхмерном лабиринте: положение робота обновлялось в реальном времени на платформе с тремя проекциями, а управление выполняли джойстиком, добиваясь точных ручных корректировок. Затем робота провели по фантомным эндоваскулярным моделям с извилистыми «сосудистыми» ходами, демонстрируя потенциал для малоинвазивных вмешательств в сосудистой системе. Наконец, подход испытали in vivo в толстом кишечнике крысы, где микроробот двигался в реальной биологической среде под МРТ-навигацией. Авторы отмечают, что в перспективе это может стать альтернативным направлением для процедур, которые сегодня ассоциируются с традиционной колоноскопией.

По сути, работа пытается закрыть давний компромисс между скоростью МРТ и качеством изображения в задачах управления микророботами. Если методика окажется устойчивой в дальнейших испытаниях, она может повысить точность и безопасность будущих малоинвазивных процедур, где решающее значение имеет именно «живое» сопровождение движения внутри тела. Исследование опубликовано в журнале Engineering.