3D Visualization of Microvascular Networks Using Magnetic Particles: Application to Magnetic Resonance Navigation

Les différentes modalités d'imagerie médicales fournissent des images cliniques de structures internes du corps humain à des fins diagnostiques et curatives. Leur première application en clinique remonte à trois décennies et depuis, grâce aux découvertes technologiques continues, de nouvelles fonctionnalités ont été intégrées aux systèmes d'imagerie. Aujourd'hui, des informations anatomiques et fonctionnelles précises peuvent être prélevées à partir de ces images dont la dimensionnalité a évolué du bidimensionnel au tridimensionnel incluant la dynamique. Une des modalités d'imagerie qui a largement profité de ces découvertes technologiques est l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Par rapport aux autres techniques d'imagerie, l'IRM présente beaucoup d'avantages tels que la haute résolution spatiale et temporelle, le manque d'exposition aux rayonnements X et une pénétration tissulaire illimitée. Ceux-ci ont rendu l'IRM l'une des modalités les plus utilisées en clinique. Malgré des améliorations récentes dans le fonctionnement des bobines de réception d'IRM et aussi des algorithmes de reconstruction, des progrès supplémentaires sont requis afin d'améliorer la visualisation des microstructures en clinique. La visualisation des microvaisseaux avec un diamètre de 200 µm, reste au-delà des capacités des modalités d'imageries cliniques actuelles. Dans le traitement du cancer, une telle capacité pourrait fournir les informations nécessaires pour les nouvelles méthodes de délivrance ciblée de médicaments comme la navigation par résonance magnétique (NRM). Dans cette technique, afin d'améliorer l'indice thérapeutique, les microporteurs, chargés avec des agents thérapeutiques et des particules magnétiques, sont guidés le long d'une trajectoire qui mènerait vers une zone cancéreuse. Notre objectif est de telle trajectoire qui débuterait du bout du cathéter d'injection jusqu'à la destination finale, soit à proximité d'une zone tumorale. Le contraste de susceptibilité magnétique dans l'IRM fournit un moyen pour prononcer l'effet d'une particule magnétique même si sa taille est beaucoup plus petite que la résolution spatiale de l'IRM. En raison de leur susceptibilité magnétique élevée, les matériaux magnétiques provoquent une inhomogénéité dans le champ magnétique local de l'IRM dans une mesure beaucoup plus importante que leur taille réelle. L'inhomogénéité apparaît dans les images de gradient écho pondéré en T2* sous forme d'une perte de signal. Cette approche présente un moyen de visualisation de microstructures en exploitant leur artefact de susceptibilité.

Abstract

Medical imaging modalities strive to provide clinical images of the human body's internal structures for diagnosis and treatment purposes. Their first application in clinical trial services goes back to three decades and owing to continuous technological inventions, new capabilities have ever since been incorporated into the imaging systems. Today, anatomical and functional data with finer details and larger image sizes can be achieved and dimensionality of the images has been increased from 2D to dynamic 3D fields. One of the imaging modalities that have probably profited the most from technological findings is the magnetic resonance imaging (MRI). Compared to the other imaging techniques, MRI has various advantages such as high spatial and temporal resolution, lack of radiation exposure and unlimited tissue penetration. These have turned the MRI to one of the most available modalities clinically. Despite recent improvements in the MRI's receiver coils and reconstruction algorithms, further progress is yet sought to improve the visualization of the microstructures using the clinical MR scanners. Visualization of microvessels with an inner overall cross-sectional area of approximately less than 200 µm, remains beyond capabilities of the current clinical imaging modalities. In cancer therapy, such capability would provide the information required for the new delivery methods such as magnetic resonance navigation (MRN). In the MRN, to enhance the therapeutic index, microcarriers loaded with therapeutic agents and magnetic particles are navigated along a planned trajectory in the vicinity of the treatment region. Our objective is to provide such a trajectory map within an area covering the location of the catheter tip for the injection site up to the extremity of the particles' path i.e. vicinity of the treatment region such as a tumor site. Susceptibility-based negative contrast in the MRI provides a way to enlarge the effect of a magnetic particle whereas its actual size is much smaller than the MRI's visualization capability. Due to their high magnetic susceptibility, magnetic materials cause an inhomogeneity in the local magnetic field of the MRI to an extent which is much larger than their actual size. The inhomogeneity appears in the T2*-weighed gradient echo images in the form of a signal void. This approach presents a method for visualization of microstructures through the susceptibility artifact.