Une tête chercheuse pour mieux soigner

Éviter la chirurgie ouverte. Tel est, à juste titre, le leitmotiv de la médecine de nos jours. Autant que possible, ces opérations traumatisantes pour le corps, lourdes pour le personnel médical et pour la société sont contournées au profit d’opérations dites minimalement invasives.

Ces dernières sont généralement réalisées avec des cathéters (figure 1), long tubes de polymère de haute technologie, insérés dans les vaisseaux sanguins des patients grâce à une incision minime. Par le biais du réseau sanguin, les médecins naviguent dans le corps jusqu’à la zone problématique où ils procèdent à une injection de médicaments, une ablation, une observation…

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Figure 1 : exemple de cathéter – Cathéter « Boston Scientific inquiry fixed curve diagnostic »

La chirurgie minimalement invasive

Ce type de chirurgie est peu traumatisant mais n’est pas parfait. Et c’est dans la quête de cette perfection que la tête chercheuse que nous développons s’inscrit. Le problème que nous cherchons à résoudre vient du fait que notre réseau sanguin est tortueux et labyrinthique. Si l’on pouvait se promener à l’intérieur de nos vaisseaux nous serions sans cesse confrontés à ce terrible choix : droite ou gauche ? Heureusement, le chirurgien qui pratique l’opération a une vue d’ensemble des vaisseaux grâce à un appareil d’imagerie (le fluoroscope, figure 2) et peut donc choisir les intersections qui l’amèneront vers la zone à traiter. Cependant, transformer ce choix en un mouvement physique au bout du cathéter n’est pas trivial. De nombreux va-et-vient sont souvent nécessaires avant d’arriver à prendre la bonne intersection. Ces mouvements supplémentaires impliquent un temps de procédure et un temps d’exposition aux rayons ionisants du fluoroscope plus longs ainsi que des lésions ou hématomes des vaisseaux sanguins qui peuvent avoir des conséquences dramatiques.

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Figure 2 : appareil de visualisation des vaisseaux sanguins et de cathéter basé sur la technologie des rayons X.

Quelle solution ?

Dans la solution que nous développons au laboratoire de Nano-Robotique, le patient est placé dans le tunnel d’un appareil d’Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Le chirurgien observe en temps réel les images des tissus du patient et manipule l’embout de son cathéter, la tête chercheuse, grâce à un joystick qui commande les mouvements du cathéter. Le but ultime étant d’amener le cathéter, sans créer de dommages sur son passage, jusqu’au point le plus proche de la zone à traiter.

Utiliser un IRM

Les problèmes que nous évoquons sont connus depuis des décennies, aussi, guider un cathéter n’est pas particulièrement novateur ; c’est la façon dont cela est réalisé qui l’est. L’avantage indéniable de ce projet est d’utiliser un appareil d’IRM (figure 3) qui, dans le même temps, peut guider et imager le cathéter sans ioniser ni le médecin, ni le patient. A contrario, traditionnellement, c’est le fluoroscope qui est utilisé pour la visualisation mais il peut induire des cancers ; les médecins sont d’ailleurs surveillés pour ne pas dépasser un certain degré d’exposition. Il est donc avantageux de supprimer cette contrainte de temps et de santé.Au delà de l’absence de rayons nocifs, cette plateforme apporte d’autres avantages. L’IRM est un scanner permettant d’imager en 2D et 3D un patient placé à l’intérieur du scanner, dans le tunnel. Autour de ce dernier, l’IRM est essentiellement composé d’un puissant aimant de champ magnétique de 1,5T soit 30 000 fois plus grand que le champ terrestre. Nous verrons dans la suite en quoi ce champ magnétique nous est indispensable.

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Figure 3 : Appareil IRM clinique

Actionner la tête chercheuse

Au bout du cathéter, nous plaçons un embout de forme cylindrique constitué de deux billes ferromagnétiques (qui sont sensibles au champ magnétique). La longueur totale est d’environ 3mm pour 1mm de diamètre (figure 4). C’est notre tête chercheuse.Dès lors que le cathéter est placé au centre de l’IRM, notre tête chercheuse alors inerte s’active, se magnétise, grâce au puissant champ magnétique de l’IRM. Toutefois, pour mettre notre tête chercheuse en mouvement, il faut agir sur le champ de l’IRM en appliquant un gradient magnétique. Ce dernier créé des zones de l’espace du tunnel ayant un plus fort champ magnétique que les autres zones. Par simple attraction magnétique, la tête chercheuse se dirige alors vers la zone au champ élevé. Le médecin pilote l’emplacement de ces zones avec le joystick au fur et à mesure de l’avancée du cathéter de manière fluide et précise.

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Figure 4 : Un cathéter et son embout constitué de deux billes ferromagnétiques

Visualiser la tête chercheuse

L’embout est métallique. Et ces matériaux sont incompatibles avec l’imagerie IRM traditionnelle puisqu’ils créent un ‘trou noir’ dans l’image d’une taille près de 10 fois supérieure à la taille réelle (Figure 5). Cette tâche, appelée artefact, empêche alors de voir les alentours de l’embout. Pour contourner ce problème, la façon dont l’IRM réalise l’image est changée (fréquence des ondes électromagnétiques modifiée) de telle sorte que l’on puisse repérer, grâce à un algorithme développé dans notre laboratoire, le centre de cet artéfact avec une précision en deçà du millimètre. Ainsi, en superposant une image classique des tissus prise sans le cathéter magnétique et l’image modifiée sans les tissus mais avec le cathéter magnétique, on peut visualiser en direct la progression du cathéter.

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Figure 5 : « trou noir » dans l’image appelé « artefact » crée par la présence d’un élément magnétique dans l’IRM

La plateforme aujourd’hui

À ce jour, la visualisation d’éléments magnétiques par changement de la méthode d’imagerie que nous avons développée a été accomplie avec succès et est même utilisée par plusieurs laboratoires de recherche dans le monde. La tête chercheuse, quant à elle, est déjà placée au bout de nos cathéters de tests avec lesquels nous avons réalisé de nombreuses caractérisations. Ainsi, nous avons déterminé l’amplitude des gradients magnétiques nécessaires (la différence de champ magnétique entre les zones) pour obtenir le déplacement du cathéter voulu. C’est d’ailleurs grâce à ces déterminations que nous avons pu établir que l’IRM seul ne suffit pas pour déplacer le cathéter de façon significative pour prendre les intersections les plus étriquées du corps humain. Nous avons donc ajouté des bobines de gradients qui nous permettent d’avoir 10 fois plus de différence de champ magnétique entre nos zones et donc une attraction de notre tête plus importante. Dans le futur, il est envisageable que les constructeurs d’IRM souhaitent intégrer ce genre de bobines dans leurs IRM puisque cela permet le guidage de cathéter, mais aussi de nanoparticules magnétiques (médicaments anti-cancer ciblant les tumeurs).Avec l’ajout de ces bobines, nous guidons notre cathéter in vitro au travers des reproductions de verre d’intersections du corps humain. La prochaine étape qui nous attend devrait se dérouler dans les mois qui viennent et aura pour objectif de valider les précédents tests et l’ensemble de la plateforme en conditions réelles, in vivo.

Ainsi, la plateforme de guidage de cathéter doté d’une tête chercheuse apporte plus de sécurité et préserve la santé des patients et du personnel médical. C’est un projet qui ouvre la voie à des technologies permettant de guider des éléments magnétiques (nanoparticules) sans risques et qui autorise une miniaturisation importante sans perte de fonctionnalités.

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Figure 6 : Image de synthèse montrant la plateforme finale 

Viviane Lalande

L’article a été soumis au concours de vulgarisation de l’ACFAS le 1er mars 2011 et reflète donc l’avancée de la recherche à cette date là. L’article ne devait pas comporter d’images, elles ont donc été ajoutées pour ce site.
L’article sera publié dans le journal « Le soleil » dans une version corrigée et raccourcie par des professionnels de la publication.
Article primé le 29 septembre 2011
Projet du Laboratoire de Nano-Robotique de l’Ecole Polytechnique de Montréal. Direction : Sylvain Martel.

Article scientifique publié dans Medical Physics : « Characterization of the deflections of a catheter steered using a magnetic resonance imaging system »

-EDIT-

Sur le même sujet, dans le cadre d’un concours différent en mai 2012, ce sujet de recherche a reçu le premier prix du jury pour une présentation orale sous forme de défi : présenter son sujet de recherche en 180 secondes devant un auditoire intelligent mais profane. Voici la vidéo de la prestation.

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