Flow Control and MRI-Compatible Particle Injector: Application to Magnetic Resonance Navigation

Notre groupe de recherche travaille sur une technique de navigation par résonance magnétique (NRM) qui vise à améliorer l'efficacité du ciblage des médicaments vers les zones tumorales. Cette technique a été subdivisée en cinq parties : 1. Conception des microparticules. La taille et les matériaux constituants les particules doivent répondre aux exigences médicales et physiologiques de l'embolisation humaine, ainsi qu'à la faisabilité du pilotage des microparticules en utilisant les gradients magnétiques (≤ 40 mT/m) d'un système clinique d'imagerie par résonance magnétique (IRM). 2. Contrôle du flot sanguin. Un contrôle du flot sanguin a été mis au point pour permettre une navigation suffisamment rapide afin de réduire le temps d'injection tout en étant suffisamment lente pour assurer un taux de réussite élevé pour la NRM. 3. Conception d'un injecteur pour la formation d'agrégats de microparticules de tailles contrôlables. Un injecteur IRM compatible a été conçu pour permettre l'injection d'agrégats de particules pour à la fois réduire le temps d'injection et augmenter l'efficacité de la NRM en raison du volume magnétique plus important injecté à chaque fois. 4. Logiciel NRM. Une séquence NRM est utilisée pour suivre et orienter les agrégats injectés. 5. Intégration de l'injecteur de particules, du contrôle du flot sanguin et du logiciel NRM. Dans cette thèse, nous cherchons à trouver des solutions aux étapes 2, 3, 4 et 5. L'auteur a constaté que la combinaison d'un micro-flot vibratoire et d'un flot constant à faible vitesse pouvait rendre la vitesse de dérive des particules basse et constante. Un système de contrôle de l'écoulement composé d'une machine vibratoire générant le flot en question et d'une pompe péristaltique a été conçu et fabriqué pour générer ces deux types d'écoulement. Ensuite, le système a été intégré au NRM pour tester les manipulations in vitro visées. Dans une IRM de 1.5 Tesla (T), les microparticules encapsulant des nanoparticules superparamagnétiques ont été navigués dans un canal à bifurcation unique en forme de Y. En comparant les résultats avec le NRM à débit constant, nous avons démontré que le modèle de flot vibrantoire proposé peut améliorer de manière significative le taux de réussite du NRM avec un gradient magnétique inférieur à 40 mT/m qui correspond au seuil maximum de gradient qui peut être utilisé sur une IRM clinique traditionnelle. Par la suite, un injecteur de particules compatible avec l'IRM, composé de deux pompes péristaltiques, d'un compteur optique et d'un piège magnétique, a été proposé pour former des agrégats de particules de taille spécifique. Afin de déterminer la conception et la configuration optimales de l'injecteur, les propriétés magnétiques des microparticules, la compatibilité magnétique des différentes pièces de l'injecteur et la distribution spatiale du champ magnétique du système IRM ont été étudiées de manière exhaustive. Les particules utilisées dans l'essai avaient un diamètre de 230 ± 35 μm, ce qui respecte les spécifications requises pour une chimioembolisation trans-artérielle (TACE) chez l'adulte. Nous avons démontré que l'injecteur pouvait former des agrégats contenant 20 à 60 microparticules avec une précision de 6 particules. Les agrégats ayant des longueurs globales correspondantes de 1.6 à 3.2 mm, ce qui se situe juste dans l'échelle des diamètres internes des artères hépatiques propres et des branches de division droite et gauche. Par la suite, des agrégats constitués de 25 particules ont été injectés dans un fantôme imitant des conditions physiologiques et rhéologiques humaine. Dans ce cas, 82% des agrégats (n = 50) ont réussi à atteindre les sous-branches ciblées. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible d'intégrer le flot vibrant combiné avec flot constant, l'injecteur et la séquence NRM à notre injecteur afin d'établir une synchronisation entre la formation, la propulsion, la navigation et le suivi de bolus de particules dans un fantôme avec deux niveaux de bifurcation. Un modèle théorique de la taille et l'orientation des vaisseaux a été étudié et pris en compte lors du calcul de la longueur appropriée de l'agrégat de particules pour différentes tailles de vaisseaux. Une séquence d'IRM rapide (True FISP) et un gradient magnétique de 20 mT/m ont été choisis pour suivre et orienter les agrégats. Les particules magnétiques de 200 μm de diamètre moyen ont été utilisées pour évaluer l'efficacité de la NRM avec la méthode proposée. Dans les expériences, sur la base du modèle théorique, la longueur totale des agrégats a été fixée à environ 1.6 mm. Lorsqu'un agrégat était prêt, il était injecté dans le fantôme situé au centre du tunnel de l'IRM, imitant des situations réelles. Pendant ce temps, un signal de déclenchement généré automatiquement par le générateur déclenche la séquence NRM. Les agrégats de particules ont été entraînés par le flot combiné et dirigés puis suivis par la séquence NRM. En fonction de la position des agrégats dans le fantôme, la direction du gradient de navigation a été ajustée pour diriger les agrégats de microparticules dans la branche ciblée. Lorsque le tube principal du fantôme était parallèle à B0, la distribution de base des agrégats sans NRM de gauche à gauche (GG), de gauche à droite (GD), de droite à gauche (DG) et de droite à droite (DD) viii était de 4%, 96%, 0% et 0% respectivement. La précision a atteint 84% (GG), 100% (GD), 84% (DG) et 96% (DD) (P < 0.001, P = 1.0, P < 0.001, 1, P <0.001) en utilisant la séquence de NRM correspondantes pour diriger chaque agrégat dans une branche ciblée. Ensuite, le fantôme a subi une rotation de 90 degrés horizontalement. Dans cette configuration, la branche D-G qui avait le plus faible ratio de distribution de base de 0%, passait à 80% (P <0.001) après NRM. De plus, le taux de réussite du MRN était toujours supérieur à 92% à la première bifurcation dans les expériences mentionnées ci-dessus. En conclusion, ce projet a proposé un nouveau modèle d'écoulement pour augmenter le taux de réussite de la NRM avec un gradient magnétique de 40 mT/m. Il s'agit d'une étape importante pour les expériences in vivo utilisant le système d'IRM clinique. Ensuite, un injecteur compatible avec l'IRM, capable de contrôler la taille des agrégats de particules, a été conçu et testé. Enfin, la première intégration du système d'injection de particules, qui alterne un gradient de guidage et une séquence True FISP dans un logiciel NRM dédié, confirme que le NRM peut être utilisée pour naviguer in vitro des agrégats de particules à travers deux niveaux de bifurcations à l'aide d'une IRM clinique 3 T sans modification matérielle.