In der Medizin der Zukunft navigieren winzige Roboter selbstst?ndig durch Gewebe und medizinische Instrumente zeigen ihre Position im K?rper w?hrend der Operation an. Beide erfordern, dass ?rzte die Ger?te pr?zise und in Echtzeit lokalisieren und steuern k?nnen.

Bisher gab es dafür keine geeignete Methode. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) haben nun eine Signalisierungsmethode auf Basis eines oszillierenden Magneten beschrieben, die solche medizinischen Anwendungen signifikant verbessern kann.

Die Studie wird in der Fachzeitschrift npj Robotics ver?ffentlicht.

Was bis vor kurzem nach Science Fiction klang, ist inzwischen weit fortgeschritten: Nanoroboter, die sich selbstst?ndig durch den K?rper bewegen, sollen Medikamente transportieren, Gewebe messen oder chirurgische Eingriffe durchführen. Magnetisch angetriebene Nanoroboter, die durch den Muskel, durch den Glask?rper des Auges oder durch das Blutgef??system navigieren, wurden bereits entwickelt.

Es fehlt jedoch an ausgefeilten Systemen, um die Aktivit?ten der Roboter tief im K?rper in Echtzeit zu verfolgen und zu steuern. Traditionelle bildgebende Verfahren sind nur bedingt geeignet. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist zeitlich begrenzt, die Computertomographie (CT) ist mit Strahlenexposition verbunden und die starke Streuung von Schallwellen begrenzt die lokale Aufl?sung von Ultraschall.
Integration von SMOL für biomedizinische Anwendungen. Quelle: npj Robotics (2024). DOI: 10.1038/s44182-024-00008-x
Ein Team um Tian Qiu vom DKFZ Dresden hat nun eine neue Methode zur L?sung dieses Problems erfunden. Das winzige Ger?t, das sie entwickelt haben, basiert auf einem magnetischen Oszillator (also einem mechanisch oszillierenden Magneten, der sich in einem millimetergro?en Geh?use befindet). Ein externes Magnetfeld kann den Magneten anregen, mechanisch zu vibrieren.

Wenn die Schwingung wieder nachl?sst, kann dieses Signal mit magnetischen Sensoren aufgezeichnet werden. Das Grundprinzip ist vergleichbar mit der Kernspinresonanz in der MRT: Die Forscher bezeichnen die Methode als "Small-Scale Magneto-Oszillatory Localization" (SMOL).

Mit SMOL lassen sich Position und Ausrichtung des kleinen Ger?tes in gro?er Entfernung (über 10 cm), sehr pr?zise (weniger als 1 mm) und in Echtzeit bestimmen. Im Gegensatz zu Tracking-Methoden auf Basis statischer Magnete kann SMOL Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden und mit deutlich h?herer Signalqualit?t erfassen.

Da das Ger?t auf schwachen Magnetfeldern basiert, ist es harmlos für den K?rper, drahtlos und kompatibel mit vielen herk?mmlichen Ger?ten und bildgebenden Techniken.

überblick über die SMOL-Methode. Quelle: npj Robotics (2024). DOI: 10.1038/s44182-024-00008-x
"Es gibt viele Anwendungsm?glichkeiten für die SMOL-Methode", sagt Felix Fischer, Erstautor der aktuellen Publikation. "Wir haben das System bereits in Miniaturroboter und Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie integriert.

"Denkbar w?re eine Kombination mit Kapselendoskopen oder die Markierung von Tumorgewebe für eine sehr pr?zise Strahlentherapie. Unsere Methode k?nnte auch einen entscheidenden Vorteil für vollautomatisierte chirurgische Robotik oder Augmented Reality Anwendungen bieten."

"SMOL ben?tigt nur vergleichsweise einfache technische Ausstattung. Aufgrund seiner Abmessungen im Millimeterbereich l?sst sich der Oszillator in viele bestehende Instrumente integrieren und es besteht noch Potenzial für weitere Miniaturisierungen. Dank seiner pr?zisen r?umlichen und zeitlichen Aufl?sung hat unsere Technik das Potenzial, viele medizinische Verfahren der Zukunft signifikant voranzutreiben", kommentiert Qiu, Senior Author der aktuellen Publikation.