Fizičari i bioinženjeri mogu da manipulišu magnetno vođenim vodičima korišćenjem daljinskog magnetnog upravljanja sa dometom za minimalno invazivne medicinske procedure. Strategije magnetnog upravljanja trenutno su ograničene niskim magnetnim poljima, čime se sprečava njihova integracija u medicinske sisteme koji rade na ultra jakim poljima, uključujući skenere za magnetnu rezonancu (MRI). U novoj studiji koja je sada objavljena u Science Advances, Mehmet Tiriaki i istraživački tim na odeljenjima za fizičku inteligenciju, biomedicinski inženjering i medicinu u Nemačkoj, Švajcarskoj i Turskoj, razvili su dizajn magnetne žice vodiča zajedno sa strategijama upravljanja u ultravisokim poljima.
Rad je pokazao širok obim istraživanja, zajedno sa svojim potencijalom za ponovno magnetiziranje na licu mjesta. Rezultati su ilustrovali principe upravljanja magnetnim vođenjem napravljenim od neodimijumskih magneta i štapa sa optičkim vlaknima u pretkliničkom skeneru za magnetnu rezonancu. Novorazvijeni okvir magnetnog aktiviranja ultravisokog polja može olakšati magnetnu automatizaciju sledeće generacije da funkcioniše u kliničkim MRI skenerima.
Uprkos decenijskom razvoju metoda za magnetnu rezonancu, tehnologija ima nedostatke u poređenju sa rendgenskom fluoroskopijom. Priroda rendgenske fluoroskopije bez jonizujućeg zračenja, uz njen vrhunski kontrast mekih tkiva, čini je naprednijom alternativom. MRI sistem je trenutno ograničen površinom radnog prostora u skeneru i njegovom nižom rezolucijom, što dovodi do niza novih predloga za poboljšanje metode.
Na primer, potpuno daljinski pristup pokretanja MRI-a može integrisati feromagnetni permanentni magnet za intuitivno trodimenzionalno (3D) upravljanje. Međutim, metoda zahteva pristup softveru u realnom vremenu i dodatnu snagu za funkcionisanje unutar MRI skenera. U ovom radu, Tiriaki i kolege su predstavili strategiju upravljanja magnetnim vodičem ultravisokog polja u MRI skeneru i pokazali njenu sposobnost upravljanja u fiziološki relevantnim 3D vaskularnim fantomima sa arterijskim protokom, kao i tokom MRI skeniranja u bubregu životinjskog modela. Žica vodilica sa magnetom sa paralelnim vrhom navigirana je do tri ciljne pozicije pri magnetnom polju od 7 T rotacijom robotske platforme. Treći cilj je postignut korišćenjem pomoćne magnetne sile povlačenja na distalnom vrhu pomeranjem linije gradijenta platforme od 2,5 T/m. Zasluge: Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg6438
Trajni magneti kao što su neodimijumski magneti se obično koriste tokom magnetnog aktiviranja za veliki magnetni obrtni moment i prenos sile pri niskim magnetnim poljima. Trajni magneti se razvijaju sa vektorom konstantne magnetizacije koji je poravnat sa lakom osom magneta pri niskim magnetnim poljima. Dok su fizičari proučavali magnetnu teoriju trajnih magneta na ultravisokim poljima, oni ostaju da istraže efekte koncepta tokom automatizovanog magnetnog aktiviranja.
Na primer, pri ultra visokim poljima, trajni magneti poprimaju oblik mekih magneta. Tim je stoga ispitao vektor magnetizacije i izračunao magnetnu silu i obrtni moment koji deluju na trajne magnete. Fokusirali su se na neodimijumske magnete i koristili magnetometar sa vibrirajućim uzorkom da bi zaključili konstante magnetnog materijala i proučavali efekte magnetne histereze, da bi potvrdili jačinu magnetizacije. Ubacivanje žice vodiča je demonstrirano u bubrežnu šupljinu ek vivo svinjskog bubrega tokom MR snimanja. Žica vodilica sa okomitim magnetom je ubačena kroz uretru u bubrežnu šupljinu. Žica vodilica je stigla do čašice ispred ulaza u bubrežnu šupljinu zbog orijentacije vrha od 90°. Položaj vrha je praćen korišćenjem artefakta slike izazvanog magnetom na vrhu.
Tiriaki i kolege su izmerili magnetno polje i magnetni gradijent u MRI skeneru da bi modelirali magnetni obrtni moment i silu. Oni su izračunali ugao magnetizacije i obrtni moment koji deluju na permanentni magnet pri ultra visokim poljima i istražili dizajn prateće fleksibilne konstrukcije koja je formirala elastično jezgro žice vodiča, i optimizovali krutost fleksibilnog tela za magnetno aktiviranje vodiča i manevrisanje magnetnim aktiviranjem.
Tim je koristio softver otvorenog koda i razvio dinamičku simulaciju modela Cosserat štapa da oponaša oblik žice vodiča i uključio je elastične i gravitacione sile da bi razumeo njihov uticaj na magnetnu silu i obrtni moment MRI. Izvršili su simulacije savijanja da bi potvrdili Jangove module i druge parametre koji su u osnovi dinamike vodiča kako bi proaktivno koristili magnetne žice vodiče.
Naučnici su proučavali različite automatizovane sisteme za magnetno aktiviranje sa visokim stepenom slobode da bi postigli upravljanje magnetnom žicom vodičem pri niskim poljima. U nedostatku visokog stepena slobode, interakcije između sistema magnetnog aktiviranja i ultravisokih polja dovele su do blokiranog upravljanja žicom vodičem u MRI skeneru. Tim je stoga proučavao kardinalne konfiguracije žice vodiča da bi razumeo ovaj efekat i postavio trajne magnete paralelno, okomito i antiparalelno sa vrhom žice vodiča.
Tiriaki i kolege su istražili različite režime upravljanja sa ručnim umetanjem žice vodiča u MRI skener kako bi izvršili različite navigacione zadatke. Koncept in situ re-magnetizacije pri ultravisokim poljima doveo je do još interesantnijeg dizajna magnetne žice vodiča sa dvostrukom stabilnošću, sa dva trajna magneta na vrhu žice vodiča za sprovođenje različitih eksperimenata upravljanja u dvodimenzionalnoj ravni.
Tim je izveo eksperimente upravljanja u realističnoj 3D vaskularnoj arhitekturi bubrežnih arterija, luka aorte, zajedničke karotidne arterije i srednjih cerebralnih arterija, dok je emulirao arterijski protok pomoću pumpe za simulaciju srčanog toka. Rezultati su naglasili sposobnost navigacije 3D sudova u različitim situacijama za kliničke primene.
Pored toga, istražili su magnetnu aktivaciju ultravisokog polja tokom MRI, izvodeći eksperimente upravljanja žicom vodičem u bubrežnoj šupljini svinjskog bubrega ek vivo, sa žicama vodičima u različitim magnetnim konfiguracijama za ciljanje različitih regiona organa. Izvršili su pretkliničku magnetnu rezonancu da bi posmatrali granice bubrežne šupljine, nakon čega je usledila serija eksperimenata vizuelizacije preko bubrežne šupljine, donje čaške i gornje čašice da bi se ispitao kapacitet upravljanja žice vodičem.
Na ovaj način, Mehmet Tiriaki i kolege uveli su koncept magnetnog upravljanja sa magnetnim vodičima u ultra visokim poljima. Kombinovali su teoriju magnetizma sa mehanikom da bi uspostavili principe dizajna za poboljšane mogućnosti upravljanja u MRI skeneru.
Fizičari su utvrdili izvodljivost upravljanja magnetnim navođenjem tokom snimanja magnetnom rezonancom putem serije 3D koraka navigacije. Oni očekuju da će novi metod aktiviranja ultravisokog polja uticati na kliničke scenarije tokom MRI intervencije kako bi na kraju olakšao fizičku inteligenciju potrebnu za automatizovane kliničke intervencijske prakse.
