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Oct 16, 2023

Guidage de fil de guidage magnétique dans des champs magnétiques ultra-élevés pour l'imagerie médicale

12 mai 2023

Reportage du 12 mai 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Medical Xpress

Les physiciens et les bioingénieurs peuvent manipuler des fils de guidage à entraînement magnétique en utilisant une direction magnétique à distance avec une portée pour des procédures médicales peu invasives. Les stratégies de pilotage magnétique sont actuellement limitées par les faibles champs magnétiques, empêchant ainsi leur intégration dans les systèmes médicaux fonctionnant à des champs ultra-élevés, y compris les scanners d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Dans une nouvelle étude maintenant publiée dans Science Advances, Mehmet Tiryaki et une équipe de recherche des départements d'intelligence physique, de génie biomédical et de médecine en Allemagne, en Suisse et en Turquie ont développé une conception de fil de guidage magnétique parallèlement à des stratégies de direction dans des champs ultra-élevés.

Les travaux ont démontré un champ de recherche étendu, ainsi que son potentiel de réaimantation in situ. Les résultats ont illustré les principes directeurs du guidage magnétique constitué d'aimants en néodyme et d'une tige de fibre optique dans un scanner d'imagerie par résonance magnétique préclinique. Le cadre d'actionnement magnétique à champ ultra-élevé nouvellement développé peut faciliter l'automatisation magnétique de nouvelle génération pour fonctionner dans les scanners IRM cliniques.

Malgré une décennie de développement de méthodes d'imagerie par résonance magnétique, la technologie présente des lacunes par rapport à la fluoroscopie à rayons X. Bien que la nature sans rayonnement ionisant de l'IRM ainsi que son contraste supérieur des tissus mous en fassent une alternative plus avancée. Le système IRM est actuellement limité par la zone d'espace de travail dans le scanner et sa résolution inférieure, ce qui conduit à une série de nouvelles propositions pour améliorer la méthode.

Par exemple, une approche d'actionnement entièrement à distance alimentée par IRM peut intégrer un aimant permanent ferromagnétique pour une direction tridimensionnelle (3D) intuitive. Cependant, la méthode nécessite un accès logiciel en temps réel et une puissance supplémentaire pour fonctionner à l'intérieur d'un scanner IRM. Dans ce travail, Tiryaki et ses collègues ont présenté une stratégie de direction de fil de guidage magnétique à ultra-haut champ dans le scanner IRM et ont démontré sa capacité de direction dans des fantômes vasculaires 3D physiologiquement pertinents avec flux artériel, ainsi que pendant l'IRM dans le rein d'un modèle animal.

Les aimants permanents tels que les aimants en néodyme sont couramment utilisés lors de l'actionnement magnétique pour un couple magnétique élevé et une transmission de force dans des champs magnétiques faibles. Les aimants permanents sont développés avec un vecteur de magnétisation constant aligné sur l'axe facile de l'aimant à de faibles champs magnétiques. Alors que les physiciens ont étudié la théorie magnétique des aimants permanents aux champs ultra-élevés, il leur reste à étudier les effets du concept lors de l'actionnement magnétique automatisé.

Par exemple, dans les champs ultra-élevés, les aimants permanents prennent la forme d'aimants doux. L'équipe a donc examiné le vecteur d'aimantation et calculé la force magnétique et le couple agissant sur les aimants permanents. Ils se sont concentrés sur les aimants en néodyme en vrac et ont utilisé un magnétomètre à échantillon vibrant pour déduire les constantes du matériau magnétique, et ont étudié les effets de l'hystérésis magnétique, pour vérifier la force de l'aimantation.

Tiryaki et ses collègues ont mesuré le champ magnétique et le gradient magnétique dans le scanner IRM pour modéliser le couple et la force magnétiques. Ils ont calculé l'angle de magnétisation et le couple agissant sur l'aimant permanent dans des champs ultra-élevés et ont étudié la conception de la construction flexible associée qui formait le noyau élastique du fil de guidage, et optimisé la rigidité du corps flexible pour actionner magnétiquement les fils de guidage et manœuvrer l'actionnement magnétique. système.

L'équipe a utilisé un logiciel open source et a développé une simulation dynamique de modèle de tige Cosserat pour imiter la forme du fil de guidage et a inclus des forces élastiques et gravitationnelles pour comprendre leur influence sur la force et le couple magnétiques de l'IRM. Ils ont effectué des simulations de flexion pour valider les modules de Young et d'autres paramètres sous-jacents à la dynamique des fils-guides afin d'utiliser de manière proactive les fils-guides magnétiques.

Les scientifiques ont étudié une variété de systèmes d'actionnement magnétiques automatisés avec des degrés de liberté élevés pour obtenir une direction de fil de guidage magnétique à des champs faibles. En l'absence de degrés de liberté élevés, les interactions entre le système d'actionnement magnétique et les champs ultra-élevés ont conduit à bloquer la direction du fil de guidage dans le scanner IRM. L'équipe a donc étudié les configurations cardinales du fil-guide pour comprendre cet effet et a placé les aimants permanents parallèlement, perpendiculairement et antiparallèlement à la pointe du fil-guide.

Tiryaki et ses collègues ont exploré une variété de modes de direction avec l'insertion manuelle du fil de guidage dans le scanner IRM pour effectuer une variété de tâches de navigation. Le concept de ré-aimantation in situ à des champs ultra-élevés a conduit à une conception de fil de guidage magnétique encore plus intéressante avec une double stabilité, avec deux aimants permanents à la pointe du fil de guidage pour mener une variété d'expériences de pilotage dans un plan bidimensionnel.

L'équipe a réalisé des expériences de pilotage dans une architecture vasculaire 3D réaliste des artères rénales, de l'arc aortique, de l'artère carotide commune et des artères cérébrales moyennes, tout en émulant le flux artériel avec une pompe de simulation de flux cardiaque. Les résultats ont souligné la capacité à naviguer dans des vaisseaux 3D dans une variété de situations pour des applications cliniques.

De plus, ils ont exploré l'actionnement magnétique à champ ultra-élevé pendant l'IRM, en effectuant des expériences de guidage de fil de guidage dans la cavité rénale d'un rein porcin ex vivo, avec des fils de guidage dans différentes configurations magnétiques pour cibler diverses régions de l'organe. Ils ont effectué une IRM préclinique pour observer les limites de la cavité rénale, suivie d'une série d'expériences de visualisation à travers la cavité rénale, le calice inférieur et le calice supérieur pour examiner la capacité de direction du fil-guide.

De cette façon, Mehmet Tiryaki et ses collègues ont introduit le concept de direction magnétique avec des fils de guidage magnétiques à des champs ultra-élevés. Ils ont combiné la théorie du magnétisme avec la mécanique pour établir des principes de conception pour des capacités de direction améliorées dans le scanner IRM.

Les physiciens ont déterminé la faisabilité du guidage magnétique pendant l'imagerie IRM via une série d'étapes de navigation 3D. Ils s'attendent à ce que la nouvelle méthode d'actionnement de champ ultra-élevé ait un impact sur les scénarios cliniques lors de l'intervention IRM pour éventuellement faciliter l'intelligence physique requise pour les pratiques d'intervention clinique automatisées.

Plus d'information: Mehmet Efe Tiryaki et al, Direction du fil de guidage magnétique dans les champs magnétiques ultra-élevés, Science Advances (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adg6438

Martin Francis Phelan et al, Conception atténuée par la chaleur et pilotage basé sur la force de Lorentz d'un microcathéter piloté par IRM vers une chirurgie mini-invasive, Sciences avancées (2022). DOI : 10.1002/advs.202105352

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