Plateforme pour le guidage de dispositifs thérapeutiques sub-millimétriques par IRM

L'utilisation des micro-robots en chirurgie minimalement invasive est un domaine de recherche très actif, et au potentiel très important. Il s'agit de doter les équipes médicales d'outils techniques leur permettant de surpasser les problèmes auxquels elles font face : traitement invasif, zones inaccessibles, infections nosocomiales, etc. Les micro-robots ont en effet le potentiel de pouvoir atteindre des endroits jusqu'ici inaccessibles par les chirurgiens tout en étant introduits dans le corps par une opération minime présentant de faibles risques. Ils peuvent être fonctionnalisés pour remplir une multitude de tâches : administration de médicament, prélèvement de cellules malades, pose de stent, ablation, etc. Miniaturiser un tel dispositif et lui fournir l'énergie nécessaire à son fonctionnement est un défi majeur. Nous proposons l'utilisation de forces magnétiques pour y répondre, la force peut ainsi être générée et contrôlée depuis l'extérieur du micro-robot. Notre méthode se base sur l'utilisation d'un scanner d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Les scanners d'IRM sont des outils répandus dans les hôpitaux qui ont la particularité d'être composés d'un puissant champ magnétique permanent et de bobines de gradients magnétiques tridimensionnelles capable de moduler ce champ très rapidement et très précisément. Ces gradients peuvent générer la force dont nous avons besoin pour déplacer notre dispositif thérapeutique. Cette approche a été validée par des travaux de recherche précédents et nous souhaitons continuer à réduire la taille des micro-robots navigués. Cela entraîne un besoin de force magnétique supplémentaire qui se heurte aux capacités de l'IRM. Nous proposons alors de lui adjoindre du matériel capable d'engendrer une force magnétique 20 fois supérieure. Nous avons également besoin de connaître précisément l'emplacement du dispositif dans le système vasculaire pour mener à bien la navigation. Cette étape de localisation peut également être réalisée par une utilisation détournée du scanner d'IRM. Il se forme en effet une distorsion du champ magnétique lorsque l'on insère un élément métallique dans un IRM, nous pouvons exploiter ce phénomène pour isoler l'origine de la perturbation. L'IRM nous fournit donc à la fois un capteur et un actionneur. Le rôle du contrôleur pourra quant à lui être rempli par le personnel médical qui guidera le dispositif pour aux endroits appropriés. Le présent mémoire de maîtrise porte sur la mise en place d'une telle plateforme à l'École Polytechnique de Montréal. Nous proposons d'étudier le cas de la navigation d'un cathéter muni d'une bille métallique de 0.9 mm de diamètre. Pour parvenir à le naviguer magnétiquement, nous implémentons la technique de localisation présentée plus haut dans l'IRM du laboratoire de Nanorobotique. La mise en œuvre de cette technique est alors testée et validée pour le positionnement d'un cathéter (précision et linéarité du positionnement, influence des paramètres). Nous réalisons également la prise en main du nouveau système de génération de gradients magnétiques pour la propulsion. Ce matériel prototype est testé en profondeur afin de déterminer son adéquation à nos besoin et la façon d'en tirer partie au mieux. Nos expériences montrent que le matériel est adapté à des procédures de cathéters ou de fils-guides, mais qu'il présente des lacunes compromettant son utilisation pour la navigation en boucle fermée de dispositifs micrométriques. Nous réalisons enfin un ensemble de logiciels destinés à former une structure cohérente, mettant en relation nos capacités de localisation et de propulsion, au service de l'équipe médicale. Un serveur temps-réel est conçu pour prendre le contrôle du système de propulsion. Nous lui adjoignons une interface graphique cliente qui communique avec lui par réseau. Le système informatique est testé et amélioré au fur et à mesure des souhaits émis par les utilisateurs afin de parvenir à une plateforme conviviale et efficace. De nombreux tests en conditions in-vitro sont réalisés au cours de ce travail de maîtrise, tous les composants de la plateforme sont caractérisés et validés. Le projet de guidage magnétique prend tout son sens avec la réalisation d'expérimentation in-vivo, où nous parvenons à guider un fil-guide muni d'un embout magnétique de 0.9 mm de diamètre dans le système vasculaire de lapins vivants.

Abstract

The use of microrobots in minimally invasive surgery is a very active research field where potential applications are numerous. The goal is to provide medical teams with technical tools in order to help them overcoming some of their current issues : invasive treatments, inaccessible areas, nosocomial infections, etc. Microrobots have indeed the potential to reach areas previously inaccessible by surgeons while being introduced into the body with a small incision with reduced risk. They can be functionalized to perform many kind of tasks: drug delivery, biopsy, stent deployment, ablation, etc. Reducing the size of such a device while providing the energy necessary for its operation is a major challenge. We propose the use of magnetic forces to this purpose, the force can be generated and controlled from outside the microrobot. Our method takes advantage of a magnetic resonance imaging scanner (MRI). MRI scanners are medical imaging tools widely used in hospitals. They have the key characteristic of being composed of a powerful permanent magnetic field and three-dimensional magnetic gradient coils which can apply variations on the main field very quickly and precisely. These gradients are able to generate the force we need to move a therapeutic device as it has been validated by previous research. We are looking to reduce the size of the navigated devices. This causes a need for additional magnetic force that conflicts with the capabilities of MRI. We propose to enhance the MRI with equipment capable of generating a magnetic force 20 times higher. Efficient navigation also needs the precise location of the device in the vascular system. This tracking part can also be performed by an alternate use of the MRI scanner. We take advantage of the magnetic field distortion caused by the ferromagnetic element to isolate the source of the phenomenon. With these two possibilities, the MRI provides us with both a sensor and an actuator. In the end, the role of the controller can be played by the medical team who will guide the device into the vessel network. This master's thesis focuses on the making of such a platform at École Polytechnique de Montréal. We propose to study the case of the catheter navigation with a 0.9 mm diameter metal tip. To achieve magnetic navigation, we implement the localization technique presented earlier in the MRI of the Nanorobotics Laboratory. The implementation of this technique is then tested and validated for the positioning of a catheter (positioning accuracy and linearity, influence of parameters). We also learn to use the new magnetic gradient equipment intended for propulsion. This prototype is tested to determine its suitability for our needs and how to take advantage of it. Our experiments show that the propulsion system may be used with catheter navigation procedures, however we identified issues that prevent it from running closed loop controlled particles steering procedures. We finally design and implement a set of software to assemble our tracking and propulsion system in a coherent platform to be used by a medical team. A real-time server is designed to take control of the propulsion system. We design a GUI client that communicates with him through network. The infrastructure is tested and improved with the feedback expressed by users in order to achieve an effective and user-friendly platform. Numerous tests in in-vitro conditions are achieved during this study, all platform components are characterized and validated. The proposed magnetic navigation procedure is brought to completion with in-vivo experiments where we navigate a guidewire with a 0.9 mm magnetic tip in the vasculature of live rabbits.