Визначення взаємозв'язку між швидкістю руху великих постійних магнітів і траєкторією руху імплантатів у магнітних стереотаксичних системах
Анотація
Актуальність. Магнітна стереотаксична система — це новий вид нейрохірургічного втручання, який знаходиться на стадії експерименту. Цей метод дозволяє безконтактно керувати імплантатом за допомогою зовнішнього магнітного поля, дозволяючи йому рухатися по довільній траєкторії до вогнища ураження, розташованого в глибоких структурах мозкової тканини, щоб доставити гіпертермію до місця ураження або доставити ліки через катетер. У попередніх дослідженнях ми виявили, що рух імплантату по дуговій траєкторії цілком можливий, тому нам необхідно визначити зв'язок між швидкістю руху великого постійного магніту, що становить зовнішнє магнітне поле, і траєкторією руху імплантату, щоб більш точно керувати рухом імплантату.
Мета — дослідити вплив швидкості руху великих постійних магнітів, що складають зовнішнє магнітне поле, на траєкторію руху імплантатів (малих постійних магнітів).
Матеріали і методи. Спочатку було проведено три серії комп'ютерних імітаційних експериментів, в кожній групі експериментів змінювалася тільки швидкість роботи великих постійних магнітів, а також спостерігалися і порівнювалися зміни траєкторій малих і середніх постійних магнітів в трьох серіях експериментів. Після цього були проведені практичні експерименти для перевірки результатів комп'ютерного моделювання експериментів за допомогою рейкової системи, керованої мікроконтролером Arduino.
Результати. За допомогою імітаційних експериментів визначено зв'язок між швидкістю переміщення великого постійного магніту та траєкторією руху малого постійного магніту, а також розраховано зміни напруженості навколишнього магнітного поля під час руху імплантату. Після цього це було перевірено практичними експериментами. Чим швидше рухається великий постійний магніт, тим меншу відстань малий постійний магніт проходить по лінійній траєкторії, а більшу — по дуговій; чим повільніше рухається великий постійний магніт, тим більшу відстань малий постійний магніт проходить по прямій траєкторії, а меншу — по дуговій траєкторії.
Висновки. У цьому дослідженні ми визначили взаємозв'язок між швидкістю руху великого постійного магніту, що становить зовнішнє магнітне поле, і траєкторією руху імплантату, поєднавши комп'ютерні симуляційні експерименти з практичними експериментами, тобто чим швидше рухається великий постійний магніт, тим коротша відстань переміщення імплантату по прямій траєкторії, і тим довша відстань переміщення по криволінійній траєкторії. Це означає, що ми можемо більш точно контролювати відстань і кут повороту імплантату, що сприяє подальшому вивчення магнітної стереотаксичної системи, а також закладає теоретичний фундамент і забезпечує велику кількість експериментальних даних для того, щоб імплантат міг досягти хворої ділянки, розташованої в глибокій структурі тканини мозку по складних шляхах при нейрохірургічних втручаннях за участю магнітної стереотаксичної системи.
Завантаження
Посилання
Grady SM, Howard III MA, Broaddus WC, Molloy JA, Ritter RC, Quate EG, Gillies GT. Magnetic stereotaxis: a technique to deliver stereotactic hyperthermia. Neurosurgery. 1990 Dec 1;27(6):1010–6. https://doi.org/10.1097/00006123-199012000-00026
Nelson BJ, Gervasoni S, Chiu PW, Zhang L, Zemmar A. Magnetically actuated medical robots: An in vivo perspective. Proceedings of the IEEE. 2022 Apr 28;110(7):1028–37. https://doi.org/10.1109/JPROC.2022.3165713
Grady MS, Howard MA, Dacey RG, Blume W, Lawson M, Werp P, Ritter RC. Experimental study of the magnetic stereotaxis system for catheter manipulation within the brain. Journal of neurosurgery. 2000 Aug 1;93(2):282–8. https://doi.org/10.3171/jns.2000.93.2.0282
Avrunin O, Tymkovych M, Semenets V, Piatykop V. Computed tomography dataset analysis for stereotaxic neurosurgery navigation. In: 2019 IEEE 8th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL); 2019 Sep 6; IEEE. p. 606–9).. https://doi.org/10.1109/CAOL46282.2019.9019459
Avrunin OG, Alkhorayef M, Saied HF, Tymkovych MY. The surgical navigation system with optical position determination technology and sources of errors. Journal of Medical Imaging and Health Informatics. 2015 Aug 1;5(4):689–96. https://doi.org/10.1166/jmihi.2015.1444
Avrunin OG, Tymkovych MY, Moskovko SP, Romanyuk SO, Kotyra A, Smailova S. Using a priori data for segmentation anatomical structures of the brain. Przegląd Elektrotechniczny. 2017 May 1;3:102–5. https://doi.org/10.15199/48.2017.05.20
Chen Y, Godage I, Su H, Song A, Yu H. Stereotactic systems for MRI-guided neurosurgeries: a state-of-the-art review. Annals of biomedical engineering. 2019 Feb 15;47:335–53. https://doi.org/10.1007/s10439-018-02158-0
Withers PJ, Bouman C, Carmignato S, Cnudde V, Grimaldi D, Hagen CK, Maire E, Manley M, Du Plessis A, Stock SR. X-ray computed tomography. Nature Reviews Methods Primers. 2021 Feb 25;1(1):18. https://doi.org/10.1038/s43586-021-00015-4
Hankun J, Avrunin O. Explore the feasibility study of magnetic stereotaxic system. Optoelectronic Information-Power Technologies. 2023 Sep;45(1):86–96. https://doi.org/10.31649/1681-7893-2023-45-1-86-96
Hankun J, Avrunin O. Possibilities of Field Formation by Permanent Magnets in Magnetic Stereotactic Systems. In: 2022 IEEE 3rd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek); 2022 Oct 3; IEEE. p. 1–4. https://doi.org/10.1109/KhPIWeek57572.2022.9916450
O’Reilly T, Teeuwisse WM, de Gans D, Koolstra K, Webb AG. In vivo 3D brain and extremity MRI at 50 mT using a permanent magnet Halbach array. Magnetic resonance in medicine. 2021 Jan;85(1):495–505. https://doi.org/10.1002/mrm.28396
Brown D, Ma BM, Chen Z. Developments in the processing and properties of NdFeB-type permanent magnets. Journal of magnetism and magnetic materials. 2002 Aug 1;248(3):432–40. https://doi.org/10.1002/chin.200311225
Calin MD, Helerea E. Temperature influence on magnetic characteristics of NdFeB permanent magnets. In: 2011 7th international symposium on advanced topics in electrical engineering (ATEE); 2011 May 12; IEEE. p. 1–6.
Multiphysics CO. Introduction to COMSOL multiphysics®. COMSOL Multiphysics, Burlington, MA, accessed Feb. 1998 Feb;9(2018):32.
Pepper DW, Heinrich JC. The finite element method: basic concepts and applications with MATLAB, MAPLE, and COMSOL. CRC press; 2017 Apr 11. http://doi.org/10.1201/9781315395104
Badamasi YA. The working principle of an Arduino. In: 2014 11th international conference on electronics, computer and computation (ICECCO); 2014 Sep 29; IEEE. p. 1–4. https://doi.org/10.1109/ICECCO.2014.6997578
Banzi M, Shiloh M. Getting started with Arduino. Maker Media, Inc.; 2022 Feb 15.
Sokol Y, Avrunin O, Kolisnyk K, Zamiatin P. Using medical imaging in disaster medicine. In: 2020 IEEE 4th International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS); 2020 Sep 7; IEEE. p. 287–90). https://doi.org/10.1109/IEPS51250.2020.9263175
Avrunin O, Kolisnyk K, Nosova Y, Tomashevskyi R, Shushliapina N. Improving the methods for visualization of middle ear pathologies based on telemedicine services in remote treatment. In: 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek); 2020 Oct 5; IEEE. p. 347–50. https://doi.org/10.1109/KhPIWeek51551.2020.9250090
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
