Nano- Veya Mikrometre Ölçekli Soft-Robotların Tanısal Radyolojik Sistemler İle 3-Boyutlu Anatomik Yapılar İçerisinde Görüntülenmesi

Abstract

Amaç: Nano- ve mikrorobotik, son yıllarda popülerliği artmakta olan bir interdisipliner alandır. Çok küçük boyut ve farklı işlevleri sayesinde, bu tip küçük boyutlu robotların sağlık alanında da kullanılması ve tedavilerde alternatif veya tamamlayıcı olacak fonksiyonlar üstlenmesi öngörülmektedir. Bu tez çalışmasında, inme tedavisinde kullanılmak üzere tasarlanan, kablosuz ve manyetik olarak kontrol edilebilen bir soft-robot radyolojik olarak görüntülenmiştir. Soft-robot hareketlerinin güncel görüntüleme teknikleri ile tespit edilmesi ve optimum görüntüleme parametrelerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Gereç ve Yöntem: Araştırma, stent benzeri tubuler ve porlu yapıda bir elastik soft-robotun manyetik yönlendirme ile içinde hareket edeceği damar fantomları, anatomik, fizyolojik ve biyofiziksel özellikler baz alınarak hazırlanmış ve pulsatil pompa düzeneği ile kombine edilerek tek yönlü bir dolaşım sistemi elde edilmiştir. Aynı düzenek, ex-vivo doku materyalleri ile de oluşturulmuştur. Hazırlanan test ortamlarındaki damar lümenleri içinde bulunan soft-robotun hareketleri, radyolojik bir görüntüleme yöntemi olan ultrasonografi eşliğinde izlenmiştir. Bir sonraki adımda yukarıda bahsi geçen damar fantomları ve ex-vivo doku materyalleri içindeki damar lümenlerinde bulunan soft-robot, damar içi kontrast madde ve kemik katman kombinasyonları ile röntgen altında farklı voltaj ve akım parametreleri kullanılarak görüntülenmiştir. Bulgular: Soft-robotun hareket ve görüntülenme kabiliyetlerinin test edilebileceği fantom ve ex-vivo denek düzenekleri, uyguladığımız radyolojik görüntüleme yöntemlerine uygun şekilde tasarlanmış ve hazırlanmıştır. Soft-robot damar lümeni içinde ultrasonografik olarak 15 ve 40 MHz’lik farklı problar ile gözlemlenmiştir. X-ışınları kullanılarak yapılan görüntülemelerde, voltaj değerleri 20-90 kV ve akım değerleri 10-170 µA arasında değiştirilerek her deney düzeneği için 60 farklı görüntü elde edilmiştir. 6 farklı düzenek için toplamda 360 farklı görüntü elde edilmiştir. Sonuç: Bu çalışmada soft-robotların X-ışını ve ultrasonografi altında görüntülenebileceği gösterilmiştir. Elde edilen X-ışını görüntüleri, soft-robotun deney düzeneği içinde görünürlüğüne göre 1 - 4 puanlık skala üzerinden altı farklı radyolog tarafından değerlendirilmiş ve optimum parametreler belirlenmiştir. Buna göre; 1- Yalnızca PDMS fantomun kullanıldığı ilk setup için: 30 kV’ da 170 μA, 2- PDMS fantom + kontrast madde ile çekim için: 50 kV’ da 150 μA, 3- PDMS fantom + kontrast madde + kemik katman ile: 50 kV’ da 150 μA, 4- Kalp kası ve koronerler içerisindeki soft-robot için: 60 kV’ da 130 μA, 5- Kalp kası ve koronerler + kontrast madde ile çekim için: 60 kV’ da 50 μA, 6- Kalp kası ve koronerler + kontrast madde + kemik katman ile: 30 kV’ da 170 μA değerleri optimum bulunmuştur. Gelecekte, farklı tıbbi senaryolar için farklı özelliklere sahip yumuşak robot tasarımlarının girişimsel radyolojik yöntemlerle birlikte kullanılması ve tıbbi tedavilerde yeni bir dönemin açılması muhtemeldir.

Objective: Recently, nano- and micro-robotics have become an interdisciplinary field whose popularity has been increasing. Thanks to its very small size and different functions, it is anticipated that such small-sized robots will also be used in the field of health and undertake alternative or complementary functions in treatments. In this study, a wireless and magnetically controllable soft-robot was radiologically imaged, which is designed for use in stroke treatment. This research aims at detecting soft-robot movements with current imaging techniques and determining optimum imaging parameters. Materials and Methods: The first step of the research includes the preparation of vascular phantoms, in which an elastic soft-robot with a stent-like tubular and porous structure will move with magnetic guidance, based on anatomical, physiological, and biophysical properties. In the next step, a unidirectional circulation system is obtained by combining it with the pulsatile pump assembly. The same setup was also prepared with ex-vivo tissue materials. The movements of the soft-robot in the vessel lumens in the prepared test environments were monitored under ultrasonography, which is a radiological imaging method. In the following step, the soft-robot has been imaged under roentgen with different voltage and current parameters in the vessel lumens within the above-mentioned vessel phantoms and ex-vivo tissue materials, using combinations of intravascular contrast agents and bone layer. Results: Phantom and ex-vivo subject setups, in which the soft-robot's movement and imaging abilities can be tested, were designed and prepared appropriately in terms of the radiological imaging methods we applied. The soft-robot was observed ultrasonographically in the vessel lumen with different probes of 15 and 40 MHz. In X-ray imaging, 60 different images were obtained for each experimental setup by changing the voltage values between xv 20-90 kV and current values between 10-170 µA. A total of 360 different images were obtained for 6 different setups. Conclusion: In this study, it has been shown that soft-robots can be visualized by X-ray and ultrasonography. The X-ray images obtained were evaluated by six different radiologists on a 1-4 point scale according to the visibility of the soft-robot in the experimental setup, and the optimum parameters were determined. According to this; 1- For the first setup where only the PDMS phantom is used: 170 μA at 30 kV, 2- For PDMS phantom + contrast agent: 150 µA at 50 kV, 3- For PDMS phantom + contrast agent + bone layer: 150 μA at 50 kV, 4- Fort the setup where soft-robot only in heart muscle and coronary: 130 μA at 60 kV, 5- For cardiac muscle and coronaries + contrast agent: 50 μA at 60 kV, 6- For cardiac muscle and coronaries + contrast agent + bone layer: 170 μA at 30 kV values were found to be optimum. In the future, it is likely possible that soft-robot designs with several features for a range of different medical scenarios will be used together with interventional radiological methods and will revolutionize medical treatments