MRI-Based Communication with Untethered Intelligent Medical Microrobots

The magnetic environment provided by a clinical Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner can be exploited to not only induce a displacement force on magnetic microrobots while allowing MR-tracking for serving control purpose or positional assessment - a technique known as Magnetic Resonance Navigation (MRN), but also for implementing a method of communication with intelligent microrobots. For untethered sensory microrobots having some level of intelligence and operating inside the body, the transmission power necessary to communicate information to an external computer via known methods is insufficient. In this work, a technique is described where such loss of transmission power due to the scaling of these microrobots can be compensated by the same MRI scanner acting as a more sensitive receiver. A communication scheme is implemented in the form of a frequency alteration in the electrical current circulating along a miniature coil embedded in a microrobot. The frequency of the electrical current could be regulated from a predetermined sensory threshold input implemented on the microrobot. Such a frequency provides information on the level of sensory information gathered by the microrobot, and it is determined using MR imaging. The proposed method is independent of the microrobot's position and orientation and can be extended to a larger number of microrobots for monitoring and mapping specific physiological conditions inside a larger region at any depths within the body.

Résumé

Les champs magnétiques présent dans un système clinique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) peuvent être exploités non seulement, afin d'induire une force de déplacement sur des microrobots magnétiques tout en permettant l'asservissement de leur position - une technique connue sous le nom de Navigation par Résonance Magnétique (NRM), mais aussi pour mettre en œuvre un procédé de communication. Pour des microrobots autonomes équipés de senseurs ayant un certain niveau d'intelligence et opérant à l'intérieur du corps humain, la puissance de transmission nécessaire pour communiquer des informations à un ordinateur externe par des méthodes présentement connues est insuffisante. Dans ce travail, une technique est décrite où une telle perte de puissance d'émission en raison de la mise à l'échelle de ces microrobots peut être compensée par le scanner IRM agissant aussi comme un récepteur très sensible. La technique de communication prend la forme d'une modification de la fréquence du courant électrique circulant le long d'une bobine miniature incorporé dans un microrobot. La fréquence du courant électrique peut être réglée à partir d'une entrée de seuil prédéterminée du senseur mis en place sur le microrobot. La fréquence devient alors corrélée à l'information de l'état du senseur recueilli par le microrobot et elle est déterminée en utilisant l'IRM. La méthode proposée est indépendante de la position et l'orientation du microrobot et peut être étendue à un grand nombre de microrobots pour surveiller et cartographier les conditions physiologiques spécifiques dans une région plus vaste à n'importe quelle profondeur à l'intérieur du corps.