מסע בגוף האדם שוב אינו חלום בדיוני. אפשר שהתקנים זעירים יעשו ניתוחים, יגישו תרופות, ויעזרו באבחון מחלות כבר בעתיד הקרוב
מאת פאולו דריו ואריאנה מנצ’יאסי
הסרט “מסע מופלא” שתיאר צוות של רופאים ממוזערים שט בכלי הדם של מטופל כדי לעשות תיקונים מצילי חיים במוחו, היה מדע בדיוני לגמרי כשיצא לאקרנים ב-1966. ב-1987, כשעשו בהוליווד את הסרט “יום במלכודת”, המבוסס על רעיון דומה, מהנדסים אמיתיים כבר החלו לבנות אבות-טיפוס של רובוטים בגודל גלולה, שיכולים לטייל בדרכי העיכול של המטופל כדי לסייע לרופא. מטופלים החלו לבלוע את גלולות המצלמה המסחריות הראשונות בשנת 2000, ומאז משתמשים הרופאים בכמוסות כאלה כדי לראות מקומות שלא נראו עד כה, פנים המעי הדק למשל, מקומות שקשה מאוד להגיע אליהם בלי לנתח.
אבל היבט חשוב אחד של “מסע מופלא” עדיין נשאר בדיוני באותה עת: הרעיון שמצלמות הגלולה הקטנטנות האלה יוכלו לנוע בכוחות עצמן, לשחות אל עבר גידול כדי ליטול ביופסיה, לעמוד על טיבה של דלקת במעי הדק ואפילו לטפל באופן תרופתי בכיב. ואולם, בשנים האחרונות, התקדמו החוקרים מאוד בהמרת העקרונות הבסיסיים של מצלמת הגלולה הפסיבית ובפיתוחם של רובוטים זעירים אקטיביים. היום יש אבות טיפוס מתקדמים בעלי רגליים, מדחפים, עדשות צילום מתוחכמות, ומערכות הנחיה אלחוטיות וכבר עושים באמצעותם ניסויים בבעלי חיים. בקרוב, כך מקווים, הרובוטים הזערוריים האלה יהיו מוכנים לניסויים קליניים. נכון לעכשיו, מותחים המדענים את גבולות הרובוטיקה הזעירה.
התמרת הגלולות הפסיביות
מערכת העיכול היא החזית הראשונה. מצלמת הגלולה האלחוטית הראשונה, M2A, מתוצרת החברה הישראלית Given Imaging וגם דגמים מאוחרים יותר הוכיחו את יעילותן של בדיקות הקיבה והמעיים באמצעות מכשיר אלחוטי. התהליך, הקרוי אנדוסקופיה בכמוסה, הוא כבר עניין שבשגרה. לרוע המזל, הואיל ואין שליטה במצלמת הגלולה, יש שיעור גבוה של תוצאות שליליות כוזבות. המצלמות עלולות לפסוח על אזורים בעיתיים, ולכן אינן כלי אבחון מהימן. אם מבקש הרופא להציץ אל תוך הגוף כדי לסרוק ולחפש מחלות או כדי להתבונן מקרוב במקום חשוד, היכולת החשובה ביותר לו היא היכולת לעצור את המצלמה ולנתב אותה לאזור שמעניין אותו.
הפיכת הגלולה הפסיבית למכשיר שיכול לספק סריקות יסודיות יותר של מערכת העיכול, מצריכה הוספה של חלקים נעים, מנגנונים שיניעו את הגלולה בגוף או שישמשו כלים לטיפול ברקמות. הפעלת החלקים הנעים האלה דורשת תשדורת נתונים, הנחיות ותמונות, אלחוטית, מהירה ודו-כיוונית. הגלולות צריכות להיות בעצם רובוטים זעירים המסוגלים להגיב מהר להוראות המפעיל. כל המרכיבים האלה זקוקים למקור כוח המספיק דיו לביצוע המוטל עליהם עד תום, במסע שיכול לארוך גם 12 שעות. כל זה צריך להיכנס לכמוסה שנפחה שני מיליליטרים (מ”ל) (כגודלה של סוכריית גומי) כדי שהמטופל יוכל לבלוע את המכשיר בנוחות יחסית.
בשנה שבה הוכנסה לשימוש M2A, פתחו ב”מרכז למערכות-מיקרו חכמות” (IMC) שבסיאול במיזם בן עשר שנים לפיתוח דור חדש של גלולות אנדוסקופיות מתקדמות. לצורך הצילום תצויד גלולה רובוטית כזו בחיישנים ובגוף תאורה. היא תכלול מנגנונים למתן תרופות ולאיסוף דגימות. היא תהיה מסוגלת לנוע באופן עצמאי בשליטתו האלחוטית של מבצע הבדיקה. מאז 2000, נכנסו לתחום עוד חברות וקבוצות מחקר. שמונה-עשר צוותים מאירופה, למשל, הקימו מַאֲגָד (קונסורציום) עם ה-IMC, לשם פיתוח רובוטים בגלולה לזיהוי סרטן ולטיפול בו. הקבוצה שלנו, מבית הספר הגבוה סנט-אנה בפיזה שבאיטליה, בהשגחתו ובהנחייתו הרפואית של מרק א’ שוּר מטובניגן שבגרמניה, מרכזת מבחינה טכנית ומדעית את המיזם הזה, הקרוי VECTOR (כמוסה אנדוסקופית רב-תכליתית לזיהוי גידולים במערכת העיכול ולטיפול בהם.)
הצוותים האלה, מן האקדמיה ומן התעשייה, הגו רעיונות חדשניים רבים. ובייחוד, הם הציעו מגוון של פתרונות לאתגר העיקרי: כיצד לשלוט בתנועתו של התקן הגלולה המשוטט בנבכי הגוף. ביסודו של דבר, רובם נוקטים אחת משתי גישות.
הגישה הראשונה כרוכה בהנעת הכמוסה באמצעות מנגנונים המותקנים בה: חלקים נעים כגון משוטים, רגליים, מדחפים, או אביזרים דומים המשולבים במעטפת המכשיר ויכולים להיכנס לפעולה לאחר שחדרה הגלולה לדרכי העיכול. המנגנונים המונעים במנועים זעירים, משמשים בדרך כלל להכוונת תנועותיה של הכמוסה, אבל יש דגמים שבהם הרגליים יכולות גם לפלס לה דרך ברקמה שסביבה, ולאפשר לה להתקרב למקומות מסוימים או לעבור קטע שבו קרס המעי ונסתם. הנפח הכולל של גלולה הניתנת לבליעה לא מאפשר להכניס לתוכה מנועים ומנגנונים כגון ממסרות ולכן התקנתם של חלקים הכרחיים אחרים, כמו חיישני צילום או רכיב רפואי (כמו למשל התקן ללקיחת ביופסיה), היא אתגר לא פשוט. כמו כן, כדי להרחיב רקמות, הכמוסה צריכה להפעיל כוח לא מבוטל: פי 10 עד 20 ממשקלה. רק מנועים עם מומנט סיבוב גדול יכולים להפיק כוח כזה, ואלה צורכים אנרגיה רבה (כ-0.5 ואט). צריכת האנרגיה הזאת מכבידה על טכנולוגיית הסוללה, ומשך הפעולה של המכשיר מתקצר.
כדי לחסוך באנרגיה, הפשרה הטובה ביותר היא, אולי, להשתמש במנגנונים רק להנעה, ואת מתיחת הרקמות לעשות בדרך אחרת. אם נותנים למטופל לשתות חצי ליטר של נוזל צלול, לפני בליעת כמוסה המונעת במדחף למשל, הקיבה תתרחב ל-20 דקות, או קצת פחות, עד שיתנקז הנוזל למעי הדק. בפרק הזמן הזה, תוכל הגלולה לשחות לה, בהנחיה אלחוטית, ולבחון את דופן הקיבה.
בעיית הגודל של המנגנונים המובנים וצריכת האנרגיה שלהם הביאה אחדים מן החוקרים להתבסס על גישה אחרת: שימוש בשדה מגנטי שמקורו מחוץ לגוף כדי לשלוט בתנועת הכמוסה. החברות אולימפוס וסימנס הציגו לראשונה ב-2005 מערכת הנחיה מגנטית לגלולת מצלמה פסיבית שייצרו. לפי הפרסומים של סימנס המערכת מסובבת את הגלולה על צירה. תנועת ההברגה הזאת יוצרת חיכוך קל שמסייע לכמוסה להשתחל במקטעים צרים של דרכי העיכול, במעי הדק לדוגמה.
אף על פי שהשימוש במגנטים להנחיית כמוסה אנדוסקופית בנפתולי המעיים פשוט למדי, קשה מאוד להגיע לשליטה טובה באמצעות מגנטים בלבד. שדות מגנטיים נחלשים ככל שמתרחקים ממקורם, ובשל תוואי המעי העקום והמפותל, שינויי פתע בעוצמת השדה יכולים להקפיץ את הכמוסה, והשפעת השדה יכולה אף להתבטל לגמרי. הלכה למעשה, אי יציבות כזאת עלולה להביא לכך שהקשר בין המפעיל לכמוסה יתנתק והיא תאבד לבלי שוב. אפשר לפצות על כך באמצעות הוספת מגנטים שיגבירו את השליטה ואת היציבות, אבל הדבר מצריך מערכים מסורבלים של סלילים אלקטרומגנטיים.
בני כלאיים לפי מידה
לנוכח המגבלות של שתי הגישות להנעת הכמוסה, כלומר השליטה מבפנים והשליטה מבחוץ, אנחנו סבורים שיש לשלב ביניהן כדי ליצור מכשיר שיהיה נוח לבליעה ושיספק אבחנות מהימנות. תנועה באמצעות מגנטים חיצוניים טובה למיקום גס של הכמוסה במעי. מנגנונים דמויי רגליים טובים לשינוי עמדה ולתמרון לצורך שיפור התמונה.
קבוצת המחקר שלנו תכננה אפוא כמוסה בת כלאיים כזאת, בעלת ארבע רגליים המונעות במנוע. בחנו אותה בחזיר, חיה שהמעיים שלה דומים למעי אדם. רגלי הכמוסה מקופלות בזמן הבליעה ובמשך רוב דרכה בדרכי העיכול. מחולל שדה מגנטי חיצוני מוצמד לבטן ומנחה את הכמוסה הלאה. כשמגיעה הכמוסה למקום שבו קרסו דפנות המעי, היא פושטת את רגליה ומרימה את הרקמות שסביבה, והן גם דוחפות אותה מעט קדימה דרך הפתח שנוצר.
ברוב האזורים במעי הדק והגס, מערכת הינע מעורבת כזאת יכולה לספק את השליטה הנחוצה לרופאים לבדיקה חזותית. לכל בעיה פתרון משלה. במיזם VECTOR, למשל, פיתחו שלושה רעיונות שונים רק לכמוסות המיועדות למעי הדק: האחד הוא גלולת מצלמה פסיבית לסריקה רגילה, השני הוא כמוסה אבחונית בעלת הינע פעיל ומצלמה ספקטרוסקופית היכולה לזהות חריגויות מתחת לפני הרקמה. המצלמה הספקטרוסקופית משולבת גם בפיתוח הרעיון השלישי של כמוסת VECTOR. מכשיר זה יצויד גם באביזר לביופסיה, שיוכל לקחת דגימה של רקמה ולאחסן אותה בתוך הכמוסה עד שזו תצא מגוף המטופל.
אם תהיה לרובוטי הגלולה האנדוסקופיים היכולת לבצע ביופסיות ופעולות ריפוי מורכבות אחרות, כמו למשל פרוצדורות כירורגיות, הם יהיו לכלי שימושי ויעיל עוד יותר בידי הרופאים. אבל בשל בעיות מכריעות כדוגמת אספקת האנרגיה, אילוצי הנפח ומומנט סיבוב חלש מדי, בגלולה אחת בעלת נפח של שני מ”ל אי אפשר לבצע פעולות ריפוי שאפתניות יותר, המצריכות תנועה מסובכת וריבוי מנגנונים.
לכן אנחנו עובדים כעת על פתרון מתקדם יותר: רובוטים כירורגיים המשנים את התצורה שלהם בתוך הגוף. הדבר ייעשה, אולי, כך: המטופל ישתה נוזל להרחבת הקיבה, ואז יבלע 10 או 15 גלולות. בתוך כל גלולה יהיה רכיב זעיר ובשני קצותיה יהיו שני מגנטים. כשיגיעו הכמוסות לקיבה הן מיד יצטרפו זו אל זו, באמצעות שליטה מרחוק, וירכיבו את התצורה המבוקשת. המנתח יוכל אפוא לבצע ניתוח באמצעות הרובוט שהורכב, בלי שיהיה צורך לחתוך בגוף מבחוץ כלל. לאחר הניתוח, יהיה אפשר לשנות את התצורה של החיבורים המגנטיים בין הרכיבים, או לנתקם ולתת לחלקים לצאת ממערכת העיכול בלי לגרום שום נזק.
יש בידינו אב טיפוס ראשוני המבוסס על כמוסות שקוטרן שני סנטימטרים, עם חלקים פנימיים ומנגנונים שאפשר להתאימם לפי צורך. אפשר שאחת הכמוסות, או יותר, תישא מצלמה, אחרות יישאו כלים אחרים וכולן יהיו נשלטות באלחוט.
רכיבים רובוטיים זעירים יוכלו לשמש בסופו של דבר למגוון רחב יותר של פעולות, בכל הגוף ולכל מיני מטרות. מערכות הנחיה וחיישני מצלמה שפותחו לאנדוסקופיה בגלולה משפיעים כבר היום על הטכנולוגיה הרפואית בתחומים סמוכים, כמו, למשל, בגרסה החדשה ביותר של האנדוסקופ ושל כלי הניתוח הלפרוסקופיים. מחוץ לעולם הרפואה, הטכנולוגיות האלה הן חלק ממגמה נרחבת יותר של מזעור ושליטה אלחוטית ברובוטים רב-תכליתיים. אין ספק שלרובוטים בגלולה תהיה השפעה על עולם הרובוטיקה בכלל.
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
מושגי מפתח
גלולות מצלמה מאפשרות לראות את מערכת העיכול כולה מבפנים, אפשרות ללא תקדים, אבל השימושים והדיוק של הכמוסות הפסיביות מוגבלים.
היום מפתחים כמוסות רובוטיות פעילות, שגודלן כגודל גלולה המסוגלות לסרוק, לאבחן ולבצע פעולות רפואיות.
מזעור של רכיבים רובוטים שימלאו משימות בתוך הגוף, כרוך בהתגברות על אתגרים הנדסיים חדשים. האתגרים האלה מולידים פתרונות יצירתיים שישפיעו על הרובוטיקה ועל טכנולוגיות רפואיות אחרות בכלל.
בעבודה
רובוטים זעירים למגוון רחב של מטלות
כדי לייצר רובוטים זעירים, שיוכלו לפעול במערכת העיכול, על המהנדסים למצוא דרכים לשלוט באופן אלחוטי בתנועותיהם. הם צריכים גם להכניס כלים מתאימים, חיישני צילום ומקור אנרגיה לתוך כמוסה הניתנת לבליעה. הנה כמה דוגמת למטלות המגוונות שהמהנדסים רוצים להטיל על הרובוטים הקטנטנים ולדרכים שבהן הם מנסים להתגבר על הקשיים הטכניים.
תנועה
תנועות הרובוט האנדוסקופי יכולות להישלט בידי מנגנונים המותקנים במכשיר עצמו, כגון רגליים, משוטים, מדחפים והתקנים דמויי ריסים, או מבחוץ, באמצעות שדות מגנטיים שמקורם מחוץ לגופו של המטופל.
הרחבת רקמות
אחת הדרכים להזיז הצידה רקמות ולפלס דרך כדי לשפר את נקודת המבט, היא לצייד את הרובוט בזרועות חזקות שיכולות לדחוף. שיטה יותר חסכונית באנרגיה היא לתת למטופל לשתות מים כדי להרחיב את דרכי העיכול די הצורך לתמרוניה של הכמוסה המונעת במדחף.
אבחון וטיפול
כמוסה יכולה לשאת כלים התקנים שונים: מצלמה ספקטרוסקופית, שרואה תאים המצויים מתחת לשכבה העליונה של הרקמה, מספריים לנטילת דגימות רקמה, או כלי קיבול ובו תרופות.
על המחברים
פאולו דריו (Dario) ואריאנה מנצ’יאסי (Menciassi) הם פרופסורים לרובוטיקה ביו-רפואית בבית הספר הגבוה סנט אנה בפיזה שבאיטליה. דריו, שהמציא את הרובוט הקולונוסקופי הראשון המונע בכוחות עצמו ב-1990, היה גם מחלוצי הפיתוח של אנדוסקופים קפסולריים רובוטיים בעבודתו עם “המרכז למערכות-מיקרו חכמות” של קוריאה הדרומית ובשותפויות עם חוקרי רובוטיקה אירופים אחרים. מנצ’יאסי, העובדת עם דריו זה 10 שנים, מתמחה במיקרו-הנדסה לטיפולים ברמת פולשנות מזערית ובננו-טכנולוגיה רפואית.
ניתוח מרחוק
אחת הדרכים להגדיל את מגוון המשימות שרובוטי הגלולה יוכלו לבצע היא לתכנן אותם כך שירכיבו את עצמם. החולה יבלע כתריסר גלולות או יותר, וכשאלה יגיעו לקיבה, הן יצטרפו זו לזו לכדי רובוט אחד גדול וחזק. המנתחים יפעילו את המכשיר באלחוט. בתום הניתוח, ישוב הרובוט ויתפרק לכמוסות נפרדות, ואלה יצאו מדרכי העיכול בלי לגרום נזק.
עוד בנושא:
Wireless Capsule Endoscopy: From Diagnostic Devices to Multipurpose Robotic Systems. Andrea Moglia, Arianna Menciassi, Marc Oliver Schurr and Paolo Dario in Biomedical Microdevices, Vol. 9, No. 2, pages 235–243; December 12, 2006.
Wireless Therapeutic Endoscopic Capsule: In Vivo Experiment. P. Valdastri et al. in Endoscopy 2008, Vol. 40, No. 12, pages 979–982; December 2008.
Wireless Reconfigurable Modules for Robotic Endoluminal Surgery. Kanako Harada, Ekawahyu Susilo, Arianna Menciassi and Paolo Dario in Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Kobe, Japan, May 2009.
