Cartographie du réseau vasculaire et suivi des agents thérapeutiques pendant

Pour réaliser le guidage endovasculaire d’agents thérapeutiques, la cartographie tridimen- sionnelle du réseau vasculaire reliant le point d’injection à la région ciblée est requise. Cette information doit être suffisamment précise pour permettre d’identifier correctement tous les points de bifurcations sur la trajectoire menant à la cible. D’autre part, les agents navigués doivent idéalement pouvoir être localisés pendant le guidage afin de permettre d’ajuster si nécessaire les paramètres de contrôle et ainsi d’assurer le succès de l’intervention.

Traditionnellement, des angiographies peuvent être obtenues par rayons X avec l’injection d’un agent de contraste dans les vaisseaux sanguins. Pour obtenir des images en trois dimensions, la tomographie assistée par ordinateur (CT-scan) consiste à reconstruire une image 3D à partir de plusieurs images 2D acquises, correspondant à plusieurs projections selon différentes orientations autour du patient. De façon similaire, l’angiographie numérique par soustraction permet de rehausser le contraste des vaisseaux en calculant la différence entre des images acquises avec et sans agent de contraste. Un exemple d’image obtenue avec cette méthode est présenté à la Fig. 2.11. La résolution maximale des images est typiquement d’environ 200 µm, ce qui permet de cartographier les petites artères mais reste insuffisant pour visualiser les artérioles. Par ailleurs, le principal inconvénient de cette technique est l’exposition du patient à des doses de radiations ionisantes, même si les systèmes modernes permettent de réduire grandement ces dernières par rapport aux systèmes plus anciens [87].

Une alternative sans radiations ionisantes est l’angiographie par IRM, avec ou sans agent de contraste. La résolution obtenue par les séquences d’imagerie conventionnelles est cependant inférieure à celle de l’imagerie par rayons X, soit d’environ 500 µm. Pour permettre la détection de plus petits vaisseaux, une solution possible consiste à utiliser des particules magnétiques comme agents de contraste. En effet, étant donné que cette modalité d’imagerie est très sensible aux inhomogénéités du champ magnétique, les distorsions locales causées par ces particules peuvent générer des artéfacts plus gros que la résolution (i.e. taille d’un voxel), ce qui permet de les détecter dans les images. Cette distorsion peut d’ailleurs servir à valider le succès du ciblage pendant ou après le guidage [41, 80]. Ainsi, ce phénomène pourrait être exploité pour visualiser les petits vaisseaux sanguins (<100 µm) avec une résolution beaucoup plus fine. Cette idée a été démontrée in vitro en injectant des agrégats de nanoparticules de magnétite puis en les imageant à l’aide de séquences d’IRM rapides pendant leur transit dans un réseau de tubes en verre, ce qui a permis de cartographier progressivement ce dernier [89]. Par ailleurs, basée sur

Figure 2.11 Exemple d’angiographie numérique par soustraction. Image tirée de [88].

le même phénomène, une séquence d’imagerie nommée Magnetic Signature Selective Excitation (MS-SET) [90] a été proposée pour localiser rapidement des particules magnétiques en trois dimensions. Pour la méthode MRN, cette capacité permet notamment le contrôle en boucle fermée d’agents le long d’une trajectoire prédéfinie, en alternant des phases de propulsion et des phases d’imagerie [77, 79]. Originellement, la séquence MS-SET a permis de localiser une bille ferromagnétique de 1.5 mm avec une fréquence de rafraichissement de 24 Hz. Pour de petites particules, toutefois, le temps de localisation augmente significativement, réduisant par exemple cette fréquence à environ 3 Hz pour des particules de 900 µm [91]. Cette diminution importante du taux de rafraichissement est problématique pour le guidage de particules encore plus petites. Récemment, il a été démontré que les gradients de propulsion peuvent être intégrés à même la séquence MS-SET afin de réaliser l’imagerie et la propulsion simultanément [92]. Dans ce cas, la localisation de l’agent est réalisée selon une seule dimension, soit dans la direction de son déplacement, ce qui permet du même coup d’augmenter significativement la fréquence de rafraîchissement. Alors qu’avec la séquence d’origine aucune force de propulsion n’est générée pendant la phase d’imagerie, cette séquence modifiée permet de générer 90% de la force correspondant à un gradient constant pour une fréquence de contrôle de 52 Hz, et 63% de la force à 182 Hz (bille de 2 mm).

Par ailleurs, une autre technique prometteuse et présentement à l’étude pour l’imagerie des vaisseaux sanguins est l’angiographie par MPI [93]. Cette méthode, qui utilise des nanoparticules magnétiques comme traceurs, a le potentiel de permettre de cartographier les

vaisseaux avec une bonne résolution spatiale et une plus grande rapidité que l’IRM, toujours sans émettre de radiations ionisantes [93]. De par son principe de fonctionnement, cette méthode permet également de suivre des agents navigués [73]. À cet égard, il faut toutefois noter que, comme les autres systèmes à AEM et tel que mentionné à la Section 2.4.3, il est probable que l’efficacité d’un appareil de MPI pour guider des micro-agents à l’échelle humaine dans les tissus profonds demeure fortement limitée.

CHAPITRE 3 DÉMARCHE SCIENTIFIQUE ET PRÉSENTATION DES ARTICLES

En distordant le puissant champ d’un appareil d’IRM, le guidage par champs de dipôles (DFN) permet de garantir la magnétisation à saturation des agents magnétiques, indépendamment de leur profondeur dans le patient, tout en ayant le potentiel de générer des gradients forts dans les tissus profonds. Le paramétrage adéquat des corps ferromagnétiques (nombre, tailles, positions, formes, etc.) requiert toutefois des modèles et algorithmes complexes et doit être effectué en tenant compte des caractéristiques spécifiques de la trajectoire à suivre dans le réseau vasculaire. Par ailleurs, les matériaux magnétiques étant typiquement incompatibles avec l’environnement d’IRM, ceux-ci peuvent représenter un certain risque et affecter l’imagerie. Les meilleures performances possibles doivent donc être recherchées tout en minimisant la quantité de matériau magnétique insérée dans l’appareil.

Les principaux aspects de DFN abordés dans cette thèse sont le positionnement adéquat des corps ferromagnétiques étant donnée une trajectoire vasculaire à suivre, les effets de leur présence dans l’appareil d’IRM sur les capacités à utiliser cette modalité d’imagerie, l’influence de la forme des corps ferromagnétiques sur les gradients générés dans les tissus profonds ainsi que les capacités et limites de la méthode pour le guidage multi-bifurcations le long de trajectoires vasculaires complexes. Ce qui suit présente les articles, publiés ou en cours d’évaluation, dans lesquels les principaux résultats ont été rapportés.

3.1 Positionnement des corps ferromagnétiques et preuve de concept : article