لم تعد الرحلة عبر جسم الإنسان حلما خياليا. ومن الممكن أن تقوم الأجهزة الصغيرة بإجراء العمليات الجراحية، وتوصيل الأدوية، والمساعدة في تشخيص الأمراض في المستقبل القريب
بقلم باولو داريو وأريانا مانشياسي
كان فيلم "رحلة مذهلة"، الذي صور فريقًا من الأطباء المصغرين وهم يبحرون عبر الأوعية الدموية لمريض لإجراء إصلاحات منقذة للحياة في دماغه، كان خيالًا علميًا خالصًا عندما تم إصداره في عام 1966. في عام 1987، عندما أنتجت هوليوود فيلم "يوم في الفخ"، بناءً على فكرة مماثلة، كان المهندسون الحقيقيون قد بدأوا بالفعل في بناء نماذج أولية لروبوتات بحجم حبة الدواء يمكنها السفر عبر الجهاز الهضمي للمريض لمساعدة الطبيب. بدأ المرضى بابتلاع أقراص الكاميرا التجارية الأولى عام 2000، ومنذ ذلك الحين أصبح الأطباء يستخدمون مثل هذه الكبسولات لرؤية أماكن لم يتم رؤيتها من قبل، داخل الأمعاء الدقيقة على سبيل المثال، وهي الأماكن التي يصعب جدًا الوصول إليها بدون جراحة.
لكن أحد الجوانب المهمة في "الرحلة الرائعة" ظل خياليًا في ذلك الوقت: فكرة أن هذه الكاميرات الصغيرة يمكن أن تتحرك من تلقاء نفسها، وتسبح إلى الورم لأخذ خزعة، وتحدد طبيعة التهاب الأمعاء الدقيقة وحتى علاجها. قرحة طبيا. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، أحرز الباحثون تقدمًا كبيرًا في تحويل المبادئ الأساسية لكاميرا الحبوب السلبية وفي تطوير الروبوتات الصغيرة النشطة. توجد اليوم نماذج أولية متقدمة ذات أرجل ومراوح وعدسات فوتوغرافية متطورة وأنظمة توجيه لاسلكية ويتم استخدامها بالفعل في التجارب على الحيوانات. ومن المأمول أن تصبح هذه الروبوتات الصغيرة جاهزة للتجارب السريرية قريبًا. حاليًا، يتخطى العلماء حدود الروبوتات الصغيرة.
تحول الحبوب السلبية
الجهاز الهضمي هو الجبهة الأولى. كما أثبتت أول كاميرا حبوب منع الحمل اللاسلكية M2A، التي صنعتها شركة جيفن إيماجينج الإسرائيلية، ونماذج لاحقة، فعالية فحوصات المعدة والأمعاء باستخدام جهاز لاسلكي. وهذه العملية، التي تسمى التنظير الكبسولي، هي بالفعل مسألة روتينية. لسوء الحظ، نظرًا لعدم وجود سيطرة على كاميرا حبوب منع الحمل، هناك معدل مرتفع من النتائج السلبية الكاذبة. قد تتجاهل الكاميرات المناطق التي بها مشاكل، وبالتالي فهي ليست أداة تشخيصية موثوقة. إذا طلب الطبيب النظر داخل الجسم للمسح والبحث عن الأمراض أو النظر عن كثب إلى مكان مشبوه، فإن القدرة الأهم بالنسبة له هي القدرة على إيقاف الكاميرا وتوجيهها إلى المنطقة محل الاهتمام.
إن تحويل الحبة السلبية إلى جهاز يمكنه إجراء فحوصات أكثر شمولاً للجهاز الهضمي يتطلب إضافة أجزاء متحركة، وهي آليات من شأنها تحريك الحبة في الجسم أو استخدامها كأدوات لعلاج الأنسجة. يتطلب تشغيل هذه الأجزاء المتحركة نقلًا لاسلكيًا وسريعًا وثنائي الاتجاه للبيانات والتعليمات والصور. يجب أن تكون الحبوب عبارة عن روبوتات صغيرة قادرة على الاستجابة بسرعة لتعليمات المشغل. وتحتاج جميع هذه المكونات إلى مصدر طاقة يكفي لتنفيذ المهمة الموكلة إليها حتى النهاية، في رحلة قد تستغرق ما يصل إلى 12 ساعة. كل هذا يجب أن يتناسب مع كبسولة سعة XNUMX مليلتر (بحجم قطعة الحلوى الصمغية تقريبًا) حتى يتمكن المريض من ابتلاع الجهاز بشكل مريح نسبيًا.
في العام الذي تم فيه استخدام M2A، بدأ "مركز Smart Microsystems" (IMC) في سيول مشروعًا مدته عشر سنوات لتطوير جيل جديد من حبوب التنظير الداخلي المتقدمة. ولأغراض التصوير الفوتوغرافي، سيتم تجهيز هذه الحبيبات الآلية بأجهزة استشعار وجهاز إضاءة. وسيشمل آليات إعطاء الأدوية وجمع العينات. سيكون قادرًا على التحرك بشكل مستقل تحت التحكم اللاسلكي لمشغل الاختبار. منذ عام 2000، دخلت المزيد من الشركات والمجموعات البحثية هذا المجال. على سبيل المثال، أنشأ ثمانية عشر فريقا من أوروبا اتحادا مع المركز الطبي الدولي لتطوير الروبوتات في أقراص للكشف عن السرطان وعلاجه. تقوم مجموعتنا، من مدرسة سانت آن العليا في بيزا، إيطاليا، تحت الإشراف والتوجيه الطبي لمارك أ. شور من توبنغن، ألمانيا، بالتنسيق الفني والعلمي لهذا المشروع، المسمى VECTOR (كبسولة تنظيرية متعددة الأغراض للكشف عن و علاج الأورام في الجهاز الهضمي.)
وقد توصلت هذه الفرق، من الأوساط الأكاديمية والصناعية، إلى العديد من الأفكار المبتكرة. وعلى وجه الخصوص، اقترحوا مجموعة متنوعة من الحلول للتحدي الرئيسي: كيفية التحكم في حركة جهاز حبوب منع الحمل الذي يتجول في تجاويف الجسم. في الأساس، معظمهم يتخذون أحد النهجين.
يتضمن النهج الأول تحريك الكبسولة من خلال آليات مثبتة فيها: أجزاء متحركة مثل المجاذيف أو الأرجل أو المراوح أو الملحقات المماثلة المدمجة في غلاف الجهاز ويمكن أن تعمل بعد دخول الحبة إلى الجهاز الهضمي. وعادةً ما تُستخدم الآليات التي تعمل بمحركات صغيرة لتوجيه حركات الكبسولة، ولكن هناك نماذج يمكن للأرجل أيضًا أن تفسح لها طريقًا في الأنسجة المحيطة، مما يسمح لها بالاقتراب من أماكن معينة أو المرور عبر قسم حيث لقد انهارت الأمعاء وانسدت. إن الحجم الإجمالي للحبة القابلة للهضم يجعل من المستحيل إدخال محركات وآليات مثل المرحلات، وبالتالي فإن تركيب الأجزاء الضرورية الأخرى، مثل أجهزة الاستشعار الضوئية أو المكونات الطبية (مثل جهاز أخذ الخزعة)، ليس بالأمر السهل تحدي. وأيضًا، لتوسيع الأنسجة، تحتاج الكبسولة إلى بذل قوة كبيرة: من 10 إلى 20 ضعف وزنها. فقط المحركات ذات عزم الدوران الكبير يمكنها إنتاج مثل هذه الطاقة، وهي تستهلك الكثير من الطاقة (حوالي 0.5 واط). وهذا استهلاك الطاقة يثقل كاهل تكنولوجيا البطارية، وتقل مدة تشغيل الجهاز.
لتوفير الطاقة، ربما يكون أفضل حل وسط هو استخدام آليات الدفع فقط، والقيام بتمديد الأنسجة بطريقة أخرى. وإذا سمح للمريض بشرب نصف لتر من السائل الصافي، قبل أن يبتلع كبسولة مدفوعة بالمروحة مثلا، فإن المعدة ستتوسع لمدة 20 دقيقة، أو أقل قليلا، حتى ينصرف السائل إلى الأمعاء الدقيقة. خلال هذه الفترة الزمنية، ستتمكن الحبة من السباحة إليها، مع التوجيه اللاسلكي، وفحص جدار المعدة.
إن مشكلة حجم الآليات المدمجة واستهلاكها للطاقة دفعت بعض الباحثين إلى الاعتماد على نهج مختلف: استخدام مجال مغناطيسي ينشأ خارج الجسم للتحكم في حركة الكبسولة. قدمت شركتا أوليمبوس وسيمنز لأول مرة في عام 2005 نظام توجيه مغناطيسي للوحة الكاميرا السلبية التي أنتجتها. ووفقا لمنشورات شركة سيمنز، يقوم النظام بتدوير الحبة على محور. تخلق حركة اللولب هذه احتكاكًا طفيفًا يساعد الكبسولة على دخول الأجزاء الضيقة من الجهاز الهضمي، على سبيل المثال الأمعاء الدقيقة.
على الرغم من أن استخدام المغناطيس لتوجيه كبسولة بالمنظار في الحطاطات المعوية أمر بسيط للغاية، إلا أنه من الصعب جدًا تحقيق تحكم جيد باستخدام المغناطيس وحده. تضعف المجالات المغناطيسية عندما تبتعد عن مصدرها، وبسبب المسار الملتوي والمتعرج للأمعاء، يمكن للتغيرات المفاجئة في قوة المجال أن ترتد الكبسولة، ويمكن حتى إلغاء تأثير المجال تمامًا. ومن الناحية العملية، قد يؤدي عدم الاستقرار هذا إلى قطع الاتصال بين المشغل والكبسولة وفقدانه إلى الأبد. ويمكن تعويض ذلك عن طريق إضافة مغناطيس لزيادة التحكم والاستقرار، ولكن هذا يتطلب صفائف مرهقة من الملفات الكهرومغناطيسية.
الهجينة حسب الحجم
في ضوء القيود المفروضة على الطريقتين لقيادة الكبسولة، أي التحكم من الداخل والتحكم من الخارج، نعتقد أنه ينبغي الجمع بينهما لإنشاء جهاز مريح للبلع ويوفر تشخيصات موثوقة. تعتبر الحركة باستخدام مغناطيس خارجي أمرًا جيدًا لتحديد موضع الكبسولة بشكل تقريبي في الأمعاء. تعتبر الآليات الشبيهة بالساق جيدة لتغيير الوضع والمناورة لتحسين الصورة.
ولذلك صمم فريقنا البحثي مثل هذه الكبسولة الهجينة، بأربعة أرجل تعمل بمحرك. لقد اختبرناه على خنزير، وهو حيوان تشبه أمعاؤه أمعاء الإنسان. يتم طي أرجل الكبسولة أثناء البلع وخلال معظم رحلتها عبر الجهاز الهضمي. يتم توصيل مولد مجال مغناطيسي خارجي بالمعدة وتوجيه الكبسولة للأمام. وعندما تصل الكبسولة إلى المكان الذي انهارت فيه جدران الأمعاء، فإنها تنشر أرجلها وترفع الأنسجة المحيطة بها، كما أنها تدفعها للأمام قليلاً من خلال الفتحة التي تم إنشاؤها.
في معظم مناطق الأمعاء الدقيقة والغليظة، يمكن لنظام الدفع المختلط هذا أن يوفر التحكم اللازم للأطباء للفحص البصري. كل مشكلة لها حل خاص بها. في مشروع VECTOR، على سبيل المثال، تم تطوير ثلاث أفكار مختلفة للكبسولات المخصصة للأمعاء الدقيقة فقط: إحداهما عبارة عن قرص كاميرا سلبي للمسح العادي، والآخر عبارة عن كبسولة تشخيصية بمحرك نشط وكاميرا طيفية يمكنها الكشف تشوهات تحت سطح الأنسجة. تم أيضًا دمج الكاميرا الطيفية في تطوير المفهوم الثالث لكبسولة VECTOR. وسيتم تجهيز هذا الجهاز أيضًا بملحق الخزعة، والذي يمكنه أخذ عينة من الأنسجة وتخزينها داخل الكبسولة حتى تخرج من جسم المريض.
إذا كانت روبوتات الحبوب بالمنظار لديها القدرة على إجراء الخزعات وغيرها من عمليات الشفاء المعقدة، مثل العمليات الجراحية، فإنها ستكون أداة أكثر فائدة وكفاءة في أيدي الأطباء. ولكن بسبب المشاكل الحاسمة مثل إمدادات الطاقة والقيود على الحجم وعزم الدوران الضعيف للغاية، فمن المستحيل إجراء عمليات شفاء أكثر طموحًا باستخدام حبة واحدة بحجم 2 مل، والتي تتطلب حركة معقدة وآليات متعددة.
ولهذا السبب نعمل الآن على حل أكثر تقدمًا: الروبوتات الجراحية التي تغير تكوينها داخل الجسم. ربما سيتم الأمر على النحو التالي: يشرب المريض سائلاً لتوسيع المعدة، ثم يبلع 10 أو 15 حبة. داخل كل حبة سيكون هناك مكون صغير وفي كلا الطرفين سيكون هناك مغناطيسين. عندما تصل الكبسولات إلى المعدة، ستنضم على الفور إلى بعضها البعض، من خلال جهاز التحكم عن بعد، وتجميع التكوين المطلوب. وبذلك سيتمكن الجراح من إجراء العملية باستخدام الروبوت المجمع، دون الحاجة إلى قطع الجسم من الخارج على الإطلاق. بعد الجراحة، سيكون من الممكن تغيير تكوين الوصلات المغناطيسية بين المكونات، أو إصلاح الأجزاء وتركها تخرج من الجهاز الهضمي دون التسبب في أي ضرر.
لدينا نموذج أولي يعتمد على كبسولات يبلغ قطرها سنتيمترين، مع أجزاء وآليات داخلية يمكن تعديلها حسب الحاجة. ومن الممكن أن تحمل إحدى الكبسولات، أو أكثر، كاميرا، والبعض الآخر يحمل أدوات أخرى، وسيتم التحكم بها جميعًا لاسلكيًا.
يمكن في نهاية المطاف استخدام مكونات روبوتية صغيرة للقيام بمجموعة واسعة من الإجراءات، في جميع أنحاء الجسم ولجميع أنواع الأغراض. إن أنظمة التوجيه وأجهزة استشعار الكاميرا التي تم تطويرها للتنظير الداخلي للأقراص تؤثر بالفعل على التكنولوجيا الطبية في المجالات المجاورة، كما هو الحال، على سبيل المثال، في أحدث إصدار من المنظار وأدوات الجراحة بالمنظار. وخارج عالم الطب، تعد هذه التقنيات جزءًا من اتجاه أوسع نحو التصغير والتحكم اللاسلكي في الروبوتات متعددة الأغراض. ولا شك أن الروبوتات الموجودة في الحبوب سيكون لها تأثير على عالم الروبوتات بشكل عام.
__________________________________________________________________________________________________
المفاهيم الرئيسية
تتيح حبوب الكاميرا رؤية الجهاز الهضمي بأكمله من الداخل، وهو احتمال غير مسبوق، لكن استخدامات ودقة الكبسولات السلبية محدودة.
ويجري اليوم تطوير كبسولات روبوتية نشطة، بحجم حبة الدواء، قادرة على المسح والتشخيص وإجراء العمليات الطبية.
إن تصغير المكونات الروبوتية التي ستؤدي المهام داخل الجسم ينطوي على التغلب على التحديات الهندسية الجديدة. وتؤدي هذه التحديات إلى ظهور حلول إبداعية من شأنها أن تؤثر على الروبوتات والتقنيات الطبية الأخرى بشكل عام.
في العمل
روبوتات صغيرة للقيام بمجموعة واسعة من المهام
ولصنع روبوتات صغيرة يمكنها العمل في الجهاز الهضمي، يجب على المهندسين إيجاد طرق للتحكم لاسلكيًا في تحركاتها. كما يحتاجون أيضًا إلى إدخال الأدوات المناسبة وأجهزة استشعار الصور ومصدر الطاقة في كبسولة قابلة للهضم. فيما يلي بعض الأمثلة على المهام المتنوعة التي يريد المهندسون إسنادها إلى الروبوتات الصغيرة والطرق التي يحاولون بها التغلب على الصعوبات التقنية.
حركه
ويمكن التحكم في حركات الروبوت بالمنظار من خلال آليات مثبتة في الجهاز نفسه، مثل الأرجل والمجاديف والمراوح والأجهزة الشبيهة بالرموش، أو خارجياً باستخدام المجالات المغناطيسية التي تنشأ خارج جسم المريض.
توسع الأنسجة
تتمثل إحدى طرق تحريك الأنسجة جانبًا وتسوية المسار لتحسين المنظور في تزويد الروبوت بأذرع قوية يمكنها الدفع. الطريقة الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة هي جعل المريض يشرب الماء لتوسيع الجهاز الهضمي بما يكفي لمناورة الكبسولة التي تحركها المروحة.
التشخيص والعلاج
يمكن أن تحمل الكبسولة أجهزة مختلفة: كاميرا طيفية، التي ترى الخلايا تحت الطبقة العليا من الأنسجة، أو مقص لأخذ عينات الأنسجة، أو حاوية تحتوي على أدوية.
عن المؤلفين
باولو داريو وأريانا مينشياسي أستاذان في الروبوتات الطبية الحيوية في كلية سانتانا في بيزا بإيطاليا. وكان داريو، الذي اخترع أول روبوت تنظير القولون ذاتي الدفع في عام 1990، رائدًا أيضًا في تطوير مناظير الكبسولة الروبوتية في عمله مع "مركز الأنظمة الدقيقة الذكية" في كوريا الجنوبية وفي شراكات مع باحثين أوروبيين آخرين في مجال الروبوتات. مانسياسي، الذي يعمل مع داريو منذ 10 سنوات، متخصص في الهندسة الدقيقة للعلاجات طفيفة التوغل وتكنولوجيا النانو الطبية.
التحليل عن بعد
إحدى الطرق لزيادة تنوع المهام التي يمكن لروبوتات الحبوب القيام بها هي تصميمها لتجميع نفسها. سيبتلع المريض حوالي اثنتي عشرة حبة أو أكثر، وعندما تصل إلى المعدة، ستنضم إلى بعضها البعض في روبوت واحد كبير وقوي. سيقوم الجراحون بتشغيل الجهاز لاسلكيًا. وفي نهاية العملية، سيعود الروبوت وينقسم إلى كبسولات منفصلة، وتخرج هذه الكبسولات من الجهاز الهضمي دون التسبب في أي ضرر.
المزيد عن الموضوع:
التنظير الداخلي بالكبسولة اللاسلكية: من أجهزة التشخيص إلى الأنظمة الروبوتية متعددة الأغراض. أندريا موجليا وأريانا مينسياسي ومارك أوليفر شور وباولو داريو في الأجهزة الطبية الحيوية الدقيقة, المجلد. 9، لا. 2، الصفحات 235-243؛ 12 ديسمبر 2006.
كبسولة بالمنظار العلاجية اللاسلكية: تجربة في الجسم الحي. P. فالداستري وآخرون. في التنظير 2008، المجلد. 40، لا. 12، الصفحات 979-982؛ ديسمبر 2008.
وحدات لاسلكية قابلة لإعادة التشكيل لجراحة اللمعية الروبوتية. كاناكو هارادا، وإيكاواهيو سوسيلو، وأريانا مينسياسي، وباولو داريو وقائع مؤتمر IEEE الدولي لعام 2009 حول الروبوتات والأتمتة. كوبي، اليابان، مايو 2009.
