Команда, возглавляемая инженерами из Университета Лидса, говорит, что это первый случай, когда стало возможным генерировать трехмерные ультразвуковые изображения с высоким разрешением, полученные с помощью зонда, расположенного глубоко внутри желудочно-кишечного тракта.

Это открывает путь к преобразованию диагностики и лечения нескольких форм рака за счет возможности "виртуальной биопсии" - неинвазивного сканирования, которое предоставляет немедленные диагностические данные, позволяя врачам выявлять, определять стадию и, возможно, лечить поражения за одну процедуру: устраняется необходимость в физической биопсии.

Возможно, неожиданным ключом к успеху команды стало использование малоизвестной трехмерной формы oloid, которая придала магнитному медицинскому роботу ранее невозможный диапазон движений - перекат, необходимый для точной навигации и визуализации внутри тела.

В статье, опубликованной сегодня (26 марта) в Science Robotics, объясняется, как команда интегрировала форму oloid и ее уникальное вращательное движение в новый магнитный гибкий эндоскоп (MFE). Они оснастили его небольшим высокочастотным устройством визуализации для получения детальных 3D-изображений внутренних тканей.

Эта технология была разработана в сотрудничестве между инженерами, учеными и клиницистами из Университета Лидса, Университета Глазго и Эдинбургского университета. Лидс руководил разработкой робототехники и интеграцией зонда, в то время как Глазго и Эдинбург предоставили ультразвуковой зонд и руководили компонентом визуализации

Пьетро Вальдастри, профессор и заведующий кафедрой робототехники и автономных систем и директор лаборатории STORM, координировал исследования, лежащие в основе этой статьи. Он сказал: "Впервые это исследование позволяет нам реконструировать трехмерное ультразвуковое изображение, полученное с помощью зонда, расположенного глубоко в кишечнике, - то, что никогда не делалось раньше.

"Этот подход позволяет проводить анализ тканей in situ и диагностику колоректального рака с немедленными результатами. Процесс диагностики колоректального рака в настоящее время требует взятия образца ткани, который затем отправляется в лабораторию, а получение результатов занимает от одной до трех недель."

Устройство визуализации - микроузловая матрица с частотой 28 МГц - создает 3D-реконструкцию области, которую оно сканирует, с высоким разрешением. На основе этой виртуальной реконструкции клиницисты могут создавать изображения поперечного сечения, имитирующие изображения, полученные при стандартной биопсии, при которой образец ткани нарезается тонкими слоями и помещается на предметное стекло для изучения под микроскопом.

Ультразвук высокой частоты, или высокого разрешения, отличается от ультразвука, с которым знакомо большинство из нас и который используется для осмотра плода или внутренних органов. Ультразвуковой зонд высокой частоты и разрешения, используемый в этом исследовании, позволяет пользователям видеть особенности на микроскопическом уровне, вплоть до деталей на уровне слоя ткани.

В то время как 3D-УЗИ уже можно проводить в кровеносных сосудах и прямой кишке, эта работа открывает возможность для проведения 3D-сканирования глубже в желудочно-кишечном тракте.

Аспирант-исследователь Никита Гринидж, сотрудник Лидской лаборатории STORM в Школе электроники и электротехники, является ведущим автором статьи. Она сказала: "Объединяя нашу передовую робототехнику с медицинской ультразвуковой визуализацией, мы делаем это новшество на шаг впереди традиционной колоноскопии, позволяя врачам диагностировать и лечить за одну процедуру, устраняя ожидание между постановкой диагноза и вмешательством. Это не только делает процесс более комфортным для пациентов, но и сокращает время ожидания, сводит к минимуму повторные процедуры и снимает беспокойство, связанное с ожиданием потенциальных результатов лечения рака".

Она добавила: "Колоректальный рак является одной из ведущих причин смертности от рака в Великобритании и во всем мире, но при раннем выявлении он хорошо поддается лечению. Это исследование представляет новый подход, который может значительно улучшить раннюю диагностику с помощью минимально инвазивного подхода, а также в будущем может облегчить целенаправленную доставку лекарств с помощью ультразвука для более эффективного лечения".

Исследование финансировалось Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC), Европейской комиссией (EC), Европейским исследовательским советом (ERC) и Центром биомедицинских исследований NIHR в Лидсе. Было обнаружено, что использование oloid - формы, образованной двумя пересекающимися перпендикулярными кругами, - значительно повышает ловкость, диагностические возможности и автономность магнитных гибких эндоскопов и магнитных медицинских роботов в целом.

Магнитный эндоскоп oloid (OME) был напечатан на 3D-принтере из смолы, его диаметр составлял всего 21 мм - примерно с монету достоинством в 1 пенс. Это означало, что робот все еще мог вращаться, но его размеры и дизайн были практичными для клинических применений, таких как колоноскопия. Его движение было протестировано на ряде поверхностей, имитирующих структуры толстой кишки, пищевода и желудка.

Чтобы приблизить технологию к испытаниям на людях, команда сначала провела тесты в искусственной толстой кишке, а затем исследования на свиньях, что является необходимым шагом в соблюдении нормативных требований для утверждения медицинского устройства. Они использовали внешний постоянный магнит с роботизированным управлением - платформу, ранее разработанную в Лидсе, которая позволяет управлять OME как с помощью джойстика, так и автономно. Навигация осуществлялась с помощью изображений со встроенной камеры и системы магнитной локализации. Результаты показали, что система может:

• Успешно выполняйте контролируемые перекатывающие и размашистые движения внутри толстой кишки.

• Создавайте 3D-ультразвуковые снимки с высоким разрешением для точной диагностики.

• Выявлять повреждения в тканях желудочно-кишечного тракта, демонстрируя его потенциал для передовой медицинской визуализации и раннего выявления заболеваний.

Г-жа Гринидж сказала, что, хотя это исследование проводилось в толстой кишке, подвижные свойства уловидной формы могут быть применены к различным магнитным медицинским роботам, потенциально расширяя их применение на другие области тела.

Теперь команда приступит к сбору всех данных, которые позволят им провести испытания на людях, которые, как они надеются, могут начаться в 2026 году, поскольку лидская платформа для роботизированной колоноскопии без ультразвуковых возможностей уже проходит испытания на людях и коммерциализируется компанией Atlas Endoscopy, базирующейся в Лидсе, созданной на базе лаборатории STORM.

Наука о магнитных роботах

Магнитные поля идеально подходят для медицинского применения, поскольку они безвредно проходят через ткани человека, позволяя дистанционно управлять крошечными хирургическими роботами. Контролируемые вращательные и размашистые движения необходимы для точной навигации и получения изображений внутри тела. Однако невозможно заставить цилиндрических роботов вращаться, используя внешнее магнитное поле.

Цилиндрические магнитные роботы могут достигать только пяти степеней свободы - способов перемещения объекта. Это считалось ограничением: 3D-сканирование было невозможно без вращательного движения. Хотя гравитация заставила бы цилиндр или сферу катиться вниз по склону, заставить их катиться с помощью внешних магнитных сил невозможно. Использование oloid решило эту проблему, поскольку его уникальная геометрия естественным образом облегчает извилистое движение качения, которое связывает вращение ролика с вращениями вверх-вниз и из стороны в сторону. Поскольку олоид не обладает симметрией вокруг центральной оси, внешний магнит может прикладывать крутящий момент - или скручивающую силу - внутри корпуса в двух направлениях, вызывая вращательное движение.

Мисс Гринидж сказала: "Наши результаты открывают новые возможности для междисциплинарных подходов к медицинской робототехнике, показывая, как математические принципы, такие как простая геометрия, могут решать реальные задачи здравоохранения".

Профессор Сэнди Кокран (Sandy Cochran) из Центра медицинской и промышленной ультразвуковой диагностики Университета Глазго, которая руководила ультразвуковым компонентом исследования, сказала: "Ультразвуковая визуализация безопасна, недорога и может быть применена именно там, где это необходимо. Благодаря такому совместному подходу, объединяющему медицинскую ультразвуковую визуализацию и передовую робототехнику, мы надеемся помочь добиться кардинальных изменений в диагностике, лечении и ведении пациентов с раком".

Команда считает, что достигнутые ими успехи могут привести к фундаментальным изменениям в эндоскопии, когда эндоскописты смогут сосредоточиться на важнейших диагностических и терапевтических решениях, в то время как автономные системы справляются с рутинной навигацией и задачами.

Они также полагают, что повышенная точность и диагностические возможности OME могли бы помочь устранить гендерные различия при колоноскопии, поскольку стандартные процедуры с гибким эндоскопом, как правило, более сложны для женщин, что приводит к более высокому проценту незавершенных процедур.

Джейн Николсон, исполнительный директор по исследованиям EPSRC, сказала: "Прогресс в области передовых технологий позволяет разрабатывать быстрые, неинвазивные решения, которые потенциально могут революционизировать диагностику и лечение рака.

"За счет повышения точности и контроля процедур при раковых заболеваниях с высокой частотой, таких как колоректальный рак, усилия этой междисциплинарной команды могут привести к значительным достижениям в выявлении и лечении рака".