Змеевидный робот поможет справиться с закупоркой сосудов

Робототехники Массачусетского технологического института создали миниатюрную роботизированную нить, способную, подобно змее, плавно скользить по извилистой и тесной сети кровеносных сосудов мозга, эффективно разрушая тромбы. Ее применение в первые часы после инсульта или при угрозе разрыва аневризмы позволит предотвратить тяжелые повреждения мозга и спасти жизнь миллионам людей. 

По данным Всемирной организации здравоохранения, инсульт является третьей по распространенности – после болезней сердца и онкологических заболеваний – причиной смерти и одной из главных причин инвалидности взрослого населения планеты. «Если бы у нас была возможность устранять причину острого нарушения мозгового кровообращения в течение полутора часов после приступа, мы могли бы предотвратить серьезные повреждения головного мозга, а выживаемость среди пациентов была бы гораздо выше», – говорит профессор Суньхэ Чжао, один из авторов новой технологии.

В настоящее время для удаления тромба из закупоренного сосуда используется минимально инвазивная эндоваскулярная процедура, предполагающая применение специального тонкого провода. Хирург вводит его в главную артерию, чаще делая прокол в паху или ноге, и под рентгенологическим контролем вручную продвигает к поврежденному участку в головном мозге. Затем на провод навинчивают катетер для доставки лекарства или устройство для разрушения кровяного сгустка.

Это довольно сложная процедура, которая требует от хирурга особых навыков и стойкости выдерживать постоянное воздействие рентгеновского излучения, и такие специалисты есть далеко не во всех клиниках. К тому же, использующиеся в таких манипуляциях проволочные направители, как правило, сделаны из металлических сплавов и покрыты полимером, который из-за трения может повредить внутреннюю поверхность сосудов, особенно если проволока застрянет в узком участке. 

Инженеры Массачусетского технологического института решили с помощью новейших технологий усовершенствовать эндоваскулярные вмешательства, изменив размер и дизайн основного устройства и избавив врачей от повторяющейся лучевой нагрузки.

Результатом их работы стал нитевидный робот диаметром полмиллиметра и длиной несколько сантиметров. Его сердцевина выполнена из нитонола, сплава никеля и титана. Этот материал одновременно гибкий и упругий, благодаря чему устройство способно изгибаться, вписываясь в витиеватые лабиринты сосудистой сети мозга, и затем свободно возвращаться к первоначальной форме. Нитиноловая основа покрыта эластичной пастой с равномерно нанесенными на нее магнитными частицами.

Сверху вся конструкция «обернута» специально разработанным биосовместимым гидрогелем, который не оказывает влияния на чувствительность магнитных частиц и при этом обеспечивает роботизированной нити гладкое скольжение и легкое прохождение даже в узких участках сети. Он более чем в десять раз уменьшает трение, предотвращая повреждение стенок сосудов. В эндоваскулярной хирургии это огромное преимущество.

«Одной из главных сложностей в сосудистой хирургии является перемещение инструмента по сосудам мозга, которые имеют очень маленький диаметр. Стандартные катетеры поэтому с этой целью использовать невозможно, – говорит один из разработчиков новой технологии. – Созданное нами устройство намного компактнее существующих, и мы надеемся, что оно расширит возможности минимально инвазивной роботизированной хирургии, позволив специалистам добираться до повреждений в самых труднодоступных участках мозга, не прибегая к открытой операции».

Активируется и управляется змеевидный робот с помощью мощного магнита. Этот процесс инженеры продемонстрировали, заставив его преодолеть своеобразную полосу препятствий, состоящую из маленьких колец – в этот момент устройство напоминало нить, которая проходит сквозь игольное ушко. Под руководством специалиста, вручную орудующего большим магнитом, робот успешно справился с задачей, доказав свою точность и функциональность.

После этого разработчики устроили ему второе испытание. На этот раз устройство поместили в силиконовый лабиринт, являющийся полноразмерной копией кровеносной сети головного мозга, которую смоделировали на основе снимков компьютерной томографии человеческого мозга. Его наполнили вязкой жидкостью, имитирующей кровь, а также снабдили реалистичными тромбами и аневризмами. С помощью того же магнита роботизированную нить направляли по узким и извилистым тоннелям сосудов к проблемным участкам, к которым она добралась с поразительной скоростью.

По словам создателей устройства, его можно функционализировать. Например, сделать его способным доставлять к закупоренному участку артерии лекарственные вещества, растворяющие кровяные сгустки, что снизит риск повреждения мозга при инсульте и поможет восстановить уже поврежденные зоны. Или снабдить его лазером, который будет разрушать тромбы. Чтобы продемонстрировать последнее, разработчики заменили нитиноловую сердцевину устройства оптическим волокном и показали, что с помощью магнита можно управлять им и активировать лазер, как только робот достигнет нужного участка мозга. После этого он начнет разрушать тромб лазерными импульсами.

Именно тромбы, которые отходят от стенок артерий, попадают в мозг и приводят к закупорке жизненно важных кровеносных сосудов, являются одной из основных причин инсульта, смертность от которого в последние годы в мире увеличилась в разы. Нарушение кровоснабжения головного мозга лишает его кислорода, что может привести к повреждению его тканей и, как следствие, утрате неврологических функций. Среди наиболее распространенных последствий инсульта – частичный или полный паралич, дефекты речи или ее полная потеря, нарушения зрения, слуха, потеря памяти.

Новая технология, как уверяют ее создатели, позволит специалистам быстрее добираться до пораженных участков мозга и ликвидировать причину угрожающей жизни закупорки, многократно повышая шансы пациента на выживание. А кроме того, избавит от необходимости применения металлических направителей с ручным управлением.

Разработчики роботизированной нити обращают внимание еще на одно ее преимущество. Они отмечают, что использование нового устройства позволит снизить лучевую нагрузку на организм хирурга. Врачу больше не нужно будет проталкивать проволоку по кровеносным сосудам вручную, как раньше – роботом он сможет управлять с помощью мощного магнита дистанционно, находясь в соседней с пациентом комнате, вдали от генерирующего радиационное излучение рентгеноскопического аппарата.

Пока, чтобы манипулировать роботом, разработчики используют обычный магнит, но вскоре обещают создать умную электронику, которая будет с высокой точностью контролировать передвижения устройства при помощи магнитных полей. 

«Современные платформы способны создавать магнитное поле для управления роботом и одновременно с этим выполнять рентгеноскопическое обследование мозга пациента, передавая хирургу полную картину для манипуляций. Сам он при этом может находиться в другом помещении или даже другом городе, управляя магнитным полем с помощью джойстика, – говорит один из авторов технологии. – Эти платформы мы надеемся использовать на следующем этапе, когда приступим к испытаниям нашего изобретения на живых организмах».