影像學(xué)定位追蹤體內(nèi)微納米機(jī)器人

李梓喬，孫 祥，鄢曉暉*

(1.廈門(mén)大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院分子疫苗學(xué)和分子診斷學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子影像暨轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中心，

微納米機(jī)器人是特征尺度為微米或納米級(jí)的小型化機(jī)器人，以化學(xué)反應(yīng)、外場(chǎng)(如磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、光場(chǎng))或生物馬達(dá)等方式產(chǎn)生的能量為動(dòng)力，可在各種復(fù)雜環(huán)境中有效驅(qū)動(dòng)和精準(zhǔn)控制，因其小型化和優(yōu)異運(yùn)動(dòng)屬性，可到達(dá)現(xiàn)有醫(yī)療器械難以企及的人體區(qū)域，具備精準(zhǔn)遞送藥物、治療癌癥及生物傳感等多種生物醫(yī)用功能，轉(zhuǎn)化前景巨大；其生物相容、集群控制、生物降解及體內(nèi)影像學(xué)追蹤等均為亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，其中實(shí)時(shí)高分辨率影像學(xué)定位追蹤是實(shí)現(xiàn)體內(nèi)精準(zhǔn)導(dǎo)航并高效完成任務(wù)的先決條件?，F(xiàn)有影像學(xué)追蹤微納米機(jī)器人方法分為常見(jiàn)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和多模態(tài)成像技術(shù)，前者包括超聲、光學(xué)、磁和電離輻射技術(shù)，后者則可將不同成像技術(shù)相結(jié)合。本文對(duì)影像學(xué)定位追蹤體內(nèi)微納米機(jī)器人研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 超聲

1.1 B型超聲 B型超聲對(duì)組織影響小且成本低廉。SANCHEZ等[1]以超聲追蹤大小為50 μm的自驅(qū)動(dòng)微米機(jī)器人，其追蹤誤差為(250.0±164.7)μm，約為機(jī)器人大小的5倍。為減小誤差，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于圖形處理器(graphics processing unit, GPU)加速模式的追蹤系統(tǒng)，以在小誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速定位水凝膠夾持器[2]。超聲3D定位系統(tǒng)可追蹤3D空間中的機(jī)器人[3]，針對(duì)血管網(wǎng)絡(luò)模型成功實(shí)現(xiàn)追蹤機(jī)器人及靶向釋放藥物。YU等[4-6]利用磁場(chǎng)控制順磁納米粒子(nanoparticles, NPs)機(jī)器人集群，以增強(qiáng)區(qū)域密度的方式提高成像對(duì)比度，通過(guò)B型超聲集群追蹤牛眼球和豬膀胱中的機(jī)器人，證實(shí)B型超聲對(duì)于追蹤活體內(nèi)微納米機(jī)器人具有巨大潛力。

1.2 多普勒超聲 超聲波與移動(dòng)物體發(fā)生相互作用，可使其傳播頻率發(fā)生變化：物體朝向探頭運(yùn)動(dòng)使頻率增加，反之下降；可能基于此原理實(shí)現(xiàn)追蹤運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器人。SINGH等[7]以毛發(fā)為材料合成微米機(jī)器人，并利用多普勒超聲技術(shù)追蹤雞胸肉中的磁驅(qū)動(dòng)毛發(fā)機(jī)器人；WANG等[8]利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了集群定位追蹤在血管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的磁性機(jī)器人，為避免血流沖擊的影響，利用磁場(chǎng)控制機(jī)器人在流體為層流且流速較慢的血管壁處形成集群，并通過(guò)集群運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)多普勒效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)追蹤。但此法存在一定問(wèn)題，即血液流速相對(duì)較低時(shí)可檢測(cè)到誘導(dǎo)信號(hào)，但在高流速區(qū)，誘導(dǎo)信號(hào)會(huì)被血流信號(hào)所覆蓋，導(dǎo)致基于多普勒信號(hào)的跟蹤無(wú)效。

2 光學(xué)成像

2.1 光學(xué)反射成像 光學(xué)反射成像指光源發(fā)出的入射光到達(dá)樣品表面，經(jīng)過(guò)本征反射或后散射返回檢測(cè)器，表達(dá)樣品的位置信息；技術(shù)不依賴熒光探針，適用于組織散射低的部位。ULLRICH等[9]的整合微納米機(jī)器人磁控操作與光學(xué)反射成像追蹤系統(tǒng)以15 Hz的頻率獲取圖像，實(shí)現(xiàn)了在豬眼和兔眼內(nèi)追蹤磁驅(qū)動(dòng)微米機(jī)器人，并用于針對(duì)眼球模型的視網(wǎng)膜手術(shù)[10]。然而，散射光過(guò)多可能導(dǎo)致檢測(cè)器光飽和，無(wú)法記錄樣品信息。光學(xué)相干層析成像(optical coherence tomography, OCT)可降低散射，提高成像質(zhì)量。LI等[11]使用OCT裝置在雞肉組織及小鼠門(mén)靜脈內(nèi)對(duì)磁驅(qū)動(dòng)微納米機(jī)器人定位追蹤，其穿透深度約1.65 mm，線掃描頻率為5.5～70.0 kHz。WU等[12]通過(guò)在微納米機(jī)器人表面功能化修飾全氟化碳涂層減少與玻璃體的黏附，再以O(shè)CT技術(shù)監(jiān)測(cè)進(jìn)入豬眼球視網(wǎng)膜內(nèi)的機(jī)器人，將臨床無(wú)創(chuàng)成像技術(shù)用于追蹤體內(nèi)機(jī)器人，為眼球內(nèi)靶向藥物運(yùn)輸?shù)於嘶A(chǔ)。

2.2 熒光成像 分子受到能量激發(fā)后，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并能以光子形式釋放能量而回到基態(tài)，具有這種性質(zhì)的發(fā)射光即為熒光。微納米機(jī)器人可由特定標(biāo)記物，或源于所用材料的固有熒光性能(如生物自體熒光)而提供熒光。YAN等[13]基于螺旋藻自體熒光，在熒光成像導(dǎo)航下精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)與控制螺旋藻機(jī)器人，并實(shí)現(xiàn)追蹤動(dòng)物皮下組織中的機(jī)器人集群。螺旋藻的熒光發(fā)射波長(zhǎng)為660 nm，內(nèi)源性生物分子在該波段對(duì)光子的吸收較強(qiáng)，導(dǎo)致熒光技術(shù)更適用于定位追蹤皮下組織中的螺旋藻機(jī)器人。SERVANT等[14]通過(guò)表面功能化方法將具有更高發(fā)射波長(zhǎng)的異硫氰酸染料標(biāo)記于人造細(xì)菌鞭毛(artificial bacterial flagella， ABF)，成功以熒光成像技術(shù)在小鼠腹腔內(nèi)追蹤到ABF集群。

3 磁成像

3.1 MRI MRI組織穿透性強(qiáng)，適用于追蹤深層組織中的微納米機(jī)器人。YAN等[13]利用MRI實(shí)現(xiàn)追蹤大鼠胃部的磁性螺旋藻機(jī)器人，但因MR設(shè)備固有磁場(chǎng)與磁驅(qū)動(dòng)設(shè)備不能兼容，無(wú)法實(shí)時(shí)追蹤機(jī)器人位置。為此開(kāi)發(fā)了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與MR成像一體化系統(tǒng)，基于MRI數(shù)據(jù)路徑規(guī)劃算法與追蹤模塊集成[15]，成功為亞毫米級(jí)鐵磁物體的驅(qū)動(dòng)過(guò)程提供了位置反饋；由于整合驅(qū)動(dòng)與成像一體化要求采用時(shí)間函數(shù)的多路復(fù)用序列，故須交替進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與成像。

3.2 磁顆粒成像 磁顆粒成像(magnetic particle imaging, MPI)以麥克斯韋架構(gòu)排列永磁體，使其中心區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)為零，即場(chǎng)自由區(qū)(field free region，F(xiàn)FR)，移動(dòng)FFR可造成磁性粒子磁性變化，從而在接收線圈中產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)處理后得到MPI圖像。NOTHNAGEL等[16]以MPI實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性機(jī)器人的閉環(huán)控制和成像,類似于MRI，當(dāng)成像與驅(qū)動(dòng)一體化時(shí)，要求使用時(shí)間相關(guān)的多路復(fù)用序列，整個(gè)過(guò)程以準(zhǔn)同步方式進(jìn)行，且成像范圍較小。為獲得更大的成像工作空間，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了更低場(chǎng)強(qiáng)的MPI系統(tǒng)，并在離體組織中實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁鉆狀機(jī)器人的空間驅(qū)動(dòng)與成像[17]；但通過(guò)減小場(chǎng)強(qiáng)來(lái)擴(kuò)大成像空間會(huì)降低空間分辨率[18]，不適用于影像學(xué)追蹤微納米機(jī)器人。經(jīng)功能化修飾的磁性粒子有望提高成像對(duì)比度。BAKENECKER等[19]采用順磁納米粒子修飾螺旋機(jī)器人，并成功通過(guò)MPI獲取機(jī)器人在模擬血管內(nèi)的位置變化信息。

4 電離輻射

4.1 X射線成像 X射線穿過(guò)組織時(shí)被吸收的程度不同，到達(dá)熒屏的余量存在差異，形成黑白對(duì)比不同的影像。NGUYEN等[20]開(kāi)發(fā)的磁性自卷曲體機(jī)器人可在X射線實(shí)時(shí)導(dǎo)航下被精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)至病灶部位并釋放藥物進(jìn)行治療。NGUYEN等[21]基于X射線成像重建技術(shù)提出主成分分析算法和X射線重建技術(shù)，并用于由機(jī)器人、雙平面X射線成像裝置和電磁驅(qū)動(dòng)部件組成的可控?zé)o線系統(tǒng)；經(jīng)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)追蹤機(jī)器人的誤差小于0.4 mm，空間定位誤差小于2°，并輔助機(jī)器人穿透了豬髂動(dòng)脈內(nèi)的血凝塊[22]。此外，X射線還可用于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和追蹤一體化。XU等[23]開(kāi)發(fā)了Janus馬達(dá)，X射線照射使其表面水輻射分解增強(qiáng)，促進(jìn)氣泡生成，可在推進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位追蹤。

4.2 PET/SPECT PET/SPECT的基礎(chǔ)原理是探測(cè)γ射線(γ光子)；γ射線可由放射性同位素發(fā)射或正電子湮滅而產(chǎn)生，利用層析成像技術(shù)探測(cè)發(fā)射的γ射線，可顯示顯像劑的分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像。IACOVACCI等[24]制備了可通過(guò)控制形變而釋放藥物的99Tcm-Zinc熱響應(yīng)微納米機(jī)器人，利用SPECT技術(shù)可同時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人形變狀態(tài)及其在小鼠體內(nèi)的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)可控靶向治療。VILELA等[25]以PET追蹤124I標(biāo)記的Au/PEDOT/Pt微馬達(dá)，通過(guò)7幀/15 min速率掃描定位機(jī)器人，并將追蹤結(jié)果與光學(xué)顯微鏡下的驅(qū)動(dòng)結(jié)果比較，證實(shí)了PET跟蹤效果的可靠性，并進(jìn)一步以18F或124I標(biāo)記脲酶驅(qū)動(dòng)的介孔二氧化硅馬達(dá)和金納米馬達(dá)后，在PET追蹤下系統(tǒng)觀察微納米馬達(dá)在小鼠膀胱內(nèi)的集群行為[26]。

5 光聲成像

光聲成像(photoacoustic imaging， PAI)是基于光聲效應(yīng)的技術(shù)。光聲效應(yīng)指樣品被激光照射后吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能而發(fā)生溫度變化，導(dǎo)致熱脹冷縮而產(chǎn)生超聲波；收集并處理超聲波后，可獲得成像區(qū)域的PAI圖像。以具有光聲信號(hào)的材料制備微納米機(jī)器人，可將PAI技術(shù)用于機(jī)器人的實(shí)時(shí)追蹤。AZIZ等[27]通過(guò)3D打印方式制備微納米機(jī)器人基體，利用Au粒子修飾其表面，以提高PAI的對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤雞胸肉內(nèi)的機(jī)器人。XIE等[28]制備聚多巴胺(polydopamine， PDA)涂層包覆的螺旋藻微納米機(jī)器人，由于PDA涂層良好的光聲效應(yīng)，能在PAI實(shí)時(shí)導(dǎo)航下可控驅(qū)動(dòng)螺旋藻機(jī)器人集群；與此相似，經(jīng)PDA涂層功能化酶驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬馬達(dá)后，可利用PAI技術(shù)對(duì)其在膀胱中進(jìn)行追蹤[29]。此外，WEI等[30]開(kāi)發(fā)了一種毛刺多孔可降解微納米機(jī)器人，可在PAI導(dǎo)航下實(shí)現(xiàn)肝癌裸鼠體內(nèi)細(xì)胞內(nèi)釋放，展現(xiàn)出良好的抑制腫瘤效果。

6 多模態(tài)影像

上述各種成像技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì)及局限性。對(duì)不同成像方法進(jìn)行整合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。YAN等[31]將超聲與光聲相結(jié)合，在1.5 cm深度模擬組織中實(shí)現(xiàn)了定位追蹤機(jī)器人，其空間分辨率為125 μm。AZIZ等[32]將高頻超聲與光聲技術(shù)結(jié)合，在小鼠膀胱和子宮中追蹤磁性微球機(jī)器人。YU等[4]通過(guò)光鏡對(duì)機(jī)器人擴(kuò)散群和渦狀群的驅(qū)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行表征，利用熒光/超聲/光聲成像聯(lián)合追蹤不同形態(tài)機(jī)器人集群，結(jié)果顯示其運(yùn)動(dòng)與光鏡下運(yùn)動(dòng)行為一致，表明機(jī)器人形成集群后可顯著增強(qiáng)各種成像方式的成像質(zhì)量，多模態(tài)影像學(xué)具有追蹤機(jī)器人集群的能力。此外，YAN等[13,28]開(kāi)發(fā)的磁性螺旋藻機(jī)器人具備MRI/熒光雙成像模式，經(jīng)表面功能化策略引入PDA涂層后，可進(jìn)一步賦予螺旋藻機(jī)器人光聲成像性能，實(shí)現(xiàn)MRI/熒光/光聲三模態(tài)影像學(xué)追蹤。

7 挑戰(zhàn)與展望

影像學(xué)定位追蹤活體內(nèi)的微納米機(jī)器人的最大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)的深層組織高分辨率成像，目前尚無(wú)何種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)能夠解決所有挑戰(zhàn)；開(kāi)發(fā)適合負(fù)載對(duì)比劑的微納米機(jī)器人或許為有效的解決途徑。此外，應(yīng)用碘對(duì)比劑(如碘化油、碘海醇)也可提高成像性能，且其生物相容性良好，更適用于追蹤體內(nèi)機(jī)器人。除開(kāi)發(fā)新的對(duì)比劑之外，還可引入新的成像技術(shù)，如聲光成像技術(shù)、磁光成像技術(shù)和磁聲成像技術(shù)等，通過(guò)調(diào)控光、聲和磁場(chǎng)克服衍射和散射限制，獲得更好的空間分辨率和穿透深度，用于影像學(xué)定位追蹤活體內(nèi)的微納米機(jī)器人，促進(jìn)微納米機(jī)器人的轉(zhuǎn)化應(yīng)用和研究進(jìn)展。