Nanoroboter im menschlichen Körper

by | Apr 5, 2024

Rechts: Miniaturroboter mit eingebautem SMOL-Tracker, der eingebaute Magnet ist lediglich 1 mm groß; links: R-förmiger Bewegungspfad eines SMOL-gesteuerten Miniaturroboters. Quelle: Qiu / DKFZ

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Wissenschaftlern des Deutschen Krebsforschungszentrums ist es gelungen, die Position von Robotern im menschlichen Körper präzise und in Echtzeit zu kontrollieren. Potenzielle Einsatzbereiche für die Technologie gibt es viele. 

 

Kleine Roboter, die durch den menschlichen Körper navigieren, Reparaturen und Messungen durchführen, Medikamente transportieren – was nach Fiktion oder Zeichentrick klingt (Wer erinnert sich noch an „Es war einmal das Leben“), ist technisch längst möglich. Allerdings gab es für den praktischen Einsatz bisher vor allem eine große Herausforderung: die Position der Technik im Körper zu kontrollieren. Das könnte Wissenschaftlern des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) nun gelungen sein. Sie haben ein drahtloses Sensorverfahren auf Basis eines oszillierenden Magneten erfunden, mit dem sich solche medizinischen Anwendungen deutlich verbessern lassen.

Magnetidee nicht neu

Die Idee, Mikro- und Nanoroboter magnetisch anzutreiben, ist nicht neu. Nur war es bisher nicht möglich, die Aktivitäten der Roboter auch tief im Körpergewebe und in Echtzeit mitzuverfolgen und zu kontrollieren. Herkömmliche bildgebende Verfahren waren nur bedingt geeignet. Die Magnetresonanztomographie (MRT) etwa hat eine zu geringe zeitliche Auflösung, die Computertomographie (CT) ist mit einer Strahlenbelastung verbunden und beim Ultraschall limitiert die starke Streuung der Schallwellen die räumliche Auflösung.

Die Lösung könnte nun das winzige Gerät sein, das das Team um Tian Qui vom DKFZ am Standort Dresden entwickelt hat. Es basiert auf einem magnetischen Oszillator, also einem mechanisch schwingenden Magneten, der sich in einem millimetergroßen Gehäuse befindet. Ein äußeres Magnetfeld kann den Magneten mechanisch zur Schwingung anregen. Wenn die Schwingung abklingt, kann dieses Signal mit Magnetsensoren erfasst werden. Das Grundprinzip ist vergleichbar mit der Kernspinresonanz in der MRT. Die Forscher bezeichnen die Methode als „Small-Scale Magneto-Oscillatory Localization” (SMOL).

Echtzeittracking

Mit SMOL kann die Position und Orientierung des kleinen Geräts in großer Entfernung (über 10 cm), sehr genau (weniger als 1 mm) und in Echtzeit bestimmt werden. Im Gegensatz zu Tracking-Verfahren, die auf statischen Magneten basieren, kann SMOL Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden, also allen Raum- und Winkelkoordinaten, erfassen – und das mit deutlich höherer Signalqualität. Da das Gerät nur schwache Magnetfelder erzeugt und benötigt, ist es für den Körper unbedenklich. Zudem arbeitet es kabellos und ist mit vielen herkömmlichen Geräten und bildgebenden Verfahren kompatibel.

„Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten für die SMOL-Methode”, sagt Felix Fischer, Erstautor der Publikation. „Wir haben das System bereits in Miniaturroboter und Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie integriert. Denkbar wäre eine Kombination mit Kapselendoskopen oder die Markierung von Tumoren für eine sehr präzise Therapie. Auch für vollautomatisierte Operationsroboter oder Augmented-Reality-Anwendungen könnte unsere Methode einen entscheidenden Vorteil bringen.”

SMOL benötigt zudem eine vergleichsweise einfache technische Ausstattung. „Aufgrund seiner Abmessungen im Millimeterbereich lässt sich der Oszillator in viele bestehende medizinische Instrumente integrieren und der Tracker kann noch weiter miniaturisiert werden. Unsere Technik hat dank ihrer präzisen räumlichen und zeitlichen Auflösung das Potenzial, viele interventionelle Verfahren in Zukunft deutlich voranzubringen”, erklärt Tian Qiu, der Seniorautor der Publikation.

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