Thread robot is designed to remove blood clots in brain. / Il robot a forma di filo è progettato per rimuovere i coaguli di sangue nel cervello.
MIT team develops steerable soft thread-like robot capable of navigating tiny blood vessels
Snake robots are among the most familiar type of mechanical device for working in confined spaces. Flexible, tubular robots have been used for applications such as working in the interior of nuclear reactors, water distribution systems and inside the human body to aid surgery. The MIT team, mechanical engineers affiliated to the institution’s Institute for Soldier Nanotechnologies, have downsized the snake paradigm to the scale of a thread half a millimetre in diameter, which can be remotely controlled by magnetic fields to worm its way through the convoluted blood vessels of the brain to deliver clot-busting drugs or devices to break up and remove the blockage. Such robots have the potential to quickly treat a stroke and prevent damage to the brain, the team claims.
Acute strokes can be treated within 90 minutes of onset, greatly increasing the patient’s chance of survival and of recovery. Currently, specialist surgeons will often do this using an endoscopic technique, inserting a narrow wire into arteries in the leg or groin and guiding its tip to the stroke site by pushing and rotating, with the help of live X-ray imaging. They will then thread a catheter along the wire to treat the blockage. This is a physically taxing procedure for the surgeon, who is also exposed to X-rays throughout the operation. Transferring the task to a remotely controlled robot would be both physically easier, and allow the surgeon to carry out the procedure from a safe space. Moreover, it would not require the same degree of expertise from the surgeon.
“It’s a demanding skill, and there are simply not enough surgeons for the patients, especially in suburban or rural areas,” said lead researcher Yoonho Kim.
Kim and fellow researcher Xuanhe Zhao combined expertise in hydrogels and 3D-printed magnetically actuated materials to design the thread robot. Its core is made of an alloy called nitinol, a nickel-titanium combination that returns to its original shape when bent, coated with a rubbery ink into which magnetic particles were embedded. The whole assembly was then coated with a biocompatible hydrogel to allow it to slide freely inside blood vessels. A large magnet causes the device to convolute, allowing it to weave its way through and past obstacles.
The team has not yet tested the robot in vivo, but produced a silicone replica of the blood vessel structure of a real brain using CT scans, incorporating features such as simulated clots and aneurysms, and filled with a liquid of similar viscosity to blood. They describe this robot experiment in a paper in Science Robotics, showing how they manipulated a large magnet outside the model to steer the thread to its target. It also describes a further experiment where the nitinol wire was replaced by an optical fibre along which a laser could be shone to break up clots.
Looking forward, the team envisages devices manipulating pairs of large magnets outside the patient’s body, controlled by a surgeon from a remote location, well away from the X-ray fluoroscope that is imaging the patient’s brain.
“Existing platforms could apply magnetic field and do the fluoroscopy procedure at the same time to the patient, and the doctor could be in the other room, or even in a different city, controlling the magnetic field with a joystick,” Kim said. “Our hope is to leverage existing technologies to test our robotic thread in vivo in the next step.”
ITALIANO
Il gruppo del MIT sviluppa un robot orientabile a filo morbido capace di navigare in piccoli vasi sanguigni
I robot Snake sono tra i dispositivi meccanici più familiari per lavorare in spazi ristretti. Per aiutare la chirurgia sono stati utilizzati robot tubolari flessibili per applicazioni come il lavoro all'interno di reattori nucleari, sistemi di distribuzione dell'acqua e all'interno del corpo umano. Il gruppo del MIT, ingegneri meccanici affiliati all'Istituto per le nanotecnologie, ha ridimensionato il paradigma del serpente alla scala di un filo di mezzo millimetro di diametro, che può essere controllato a distanza da campi magnetici per farsi strada attraverso i vasi sanguigni contorti del cervello per fornire farmaci o dispositivi che distruggono il coagulo per rompere e rimuovere il blocco. Tali robot hanno il potenziale per curare rapidamente un ictus e prevenire danni al cervello, afferma il gruppo.
Gli ictus acuti possono essere trattati entro 90 minuti dall'esordio, aumentando notevolmente le possibilità di sopravvivenza e recupero del paziente. Attualmente, i chirurghi specializzati lo faranno spesso utilizzando una tecnica endoscopica, inserendo un filo stretto nelle arterie della gamba o dell'inguine e guidando la sua punta sul sito dell'ictus spingendo e ruotando, con l'aiuto dell'imaging a raggi X dal vivo. Quindi infileranno un catetere lungo il filo per curare il blocco. Questa è una procedura fisicamente faticosa per il chirurgo, che è anche esposto ai raggi X durante l'operazione. Il trasferimento dell'attività a un robot controllato a distanza sarebbe sia fisicamente più semplice, sia consentire al chirurgo di eseguire la procedura da uno spazio sicuro. Inoltre, il chirurgo non richiederebbe lo stesso grado di competenza.
"È un'abilità impegnativa e semplicemente non ci sono abbastanza chirurghi per i pazienti, specialmente nelle aree suburbane o rurali", ha detto il ricercatore capo Yoonho Kim.
Kim e il collega ricercatore Xuanhe Zhao hanno unito le competenze in idrogel e materiali ad azionamento magnetico stampati in 3D per progettare il robot filo. Il suo nucleo è costituito da una lega chiamata nitinol, una combinazione nichel-titanio che ritorna alla sua forma originale quando piegata, rivestita con un inchiostro gommoso in cui erano incorporate particelle magnetiche. L'intero gruppo è stato quindi rivestito con un idrogel biocompatibile per consentirgli di scorrere liberamente all'interno dei vasi sanguigni. Un magnete di grandi dimensioni provoca la convoluzione del dispositivo, permettendogli di attraversare e superare ostacoli.
Il gruppo non ha ancora testato il robot in vivo, ma ha prodotto una replica in silicone della struttura dei vasi sanguigni di un cervello reale utilizzando scansioni CT, incorporando funzionalità come coaguli simulati e aneurismi e riempito con un liquido di viscosità simile al sangue. Descrivono questo esperimento di robot in un articolo di Science Robotics, mostrando come hanno manipolato un grande magnete all'esterno del modello per orientare il filo verso il suo obiettivo. Descrive anche un ulteriore esperimento in cui il filo di nitinol è stato sostituito da una fibra ottica lungo la quale un laser potrebbe essere utilizzato per rompere i coaguli.
Guardando al futuro, il gruppo prevede dispositivi che manipolano coppie di magneti di grandi dimensioni all'esterno del corpo del paziente, controllati da un chirurgo da una posizione remota, ben lontano dal fluoroscopio a raggi X che sta visualizzando il cervello del paziente.
"Le piattaforme esistenti potrebbero applicare il campo magnetico e fare la procedura di fluoroscopia allo stesso tempo al paziente, e il medico potrebbe essere nell'altra stanza, o anche in un'altra città, a controllare il campo magnetico con un joystick", ha detto Kim. "La nostra speranza è di sfruttare le tecnologie esistenti per testare il nostro filo robot in vivo nel prossimo passaggio."
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