SIEMENS Verio 3T
V.1.4 Contraintes d’utilisation des IRM conventionnels
Au vu de l’étude précédente, l’adaptation d’un IRM pour la navigation de microrobots magné-tiques, consiste principalement à exploiter ces gradients de champ magnétique pour propulser un microrobot magnétique selon les principes introduits dans le chapitre III. En particulier, l’objectif de nos travaux consiste à améliorer un IRM clinique, en un système de guidage ma-gnétique, sans modification matérielle et tout en conservant ses fonctionnalités de base (soit sa fonction d’imageur). Cependant, bien que l’utilisation des systèmes d’IRM existants présente de nombreux avantages, son exploitation directe induit des contraintes importantes. En effet, les IRM conventionnels ont été initialement développés pour être des dispositifs d’imagerie et de diagnostique médicaux. Ainsi, des contraintes apparaissent liées d’une part, au fabricant de
7. Fast Low Angle Shot: écho de gradient rapide avec gradient ou RF déphaseurs des tissus (destruction de l’aimantation transversale résiduelle). (FLASH)
V.1. Imagerie par résonance magnétique (IRM)
l’IRM utilisé qui exige certaines conditions d’utilisation, et d’autre part, à la technologie et à son principe de fonctionnement.
V.1.4.1 Amplitude des gradients et durée d’exposition
Comme nous l’avons rappelé au chapitre II, la propulsion magnétique consiste à exercer une force magnétique ~fmsur le microrobot. Plus spécifiquement, cette force (II.1) dépend du gradient de champ magnétique ∇ b appliqué, de l’aimantation ~M du microrobot et de son volume magné-tique Vm. Toutefois, les gradients de champ magnétique générés par un système d’IRM clinique sont limités. Classiquement, les amplitudes maximales des gradients de champ magnétique at-teignables au sien d’un IRM conventionnel sont de l’ordre de 40 mT/m à 80 mT/m [54, 166]. De ce fait, la taille et le choix des matériaux du microrobot pouvant être utilisés sont déterminants. Toutefois, la navigation au sein du réseau vasculaire ne peut être réalisée qu’avec des microro-bots possédant des diamètres inférieurs au diamètre des vaisseaux. Généralement, un rapport dimensionnel r
R = 0, 5 conduit à une force optimale, où r est le rayon du microrobot et R le rayon du vaisseau [54].
De plus, les gradients de champ magnétique ∇ b générés par un IRM doivent être limités en terme d’amplitude et de durée d’exposition. En particulier, l’utilisation des champs et gradients de champ magnétique peuvent provoquer une stimulation de la rétine, du muscle cardiaque ou des nerfs périphériques et rendre inconfortable un examen par IRM qui dure trop longtemps [167]. En outre, l’application d’ondes RF s’accompagne d’un échauffement des tissus. Ces effets thermiques sont dépendants de la quantité d’énergie absorbée par les tissus, et de ce fait, de la durée d’exposition de ces tissus aux ondes RF. En conclusion, la durée des interventions doit être la plus réduite possible.
V.1.4.2 Artefact des objets métalliques
L’IRM, comme toutes les autres modalités d’imagerie médicale, n’échappe pas à la constitution de “fausses images”, communément liées à la présence d’artefacts, c’est-à-dire un élément dans l’image qui ne représente pas la réalité. Ces artefacts sont regroupés en deux catégories : ceux liés au patient, et ceux inhérents au système d’acquisition. Les principaux artefacts liés au patient sont ceux dûs aux mouvements physiologiques, ou à la présence de matériaux métalliques implantés sur le patient. Les premiers ont pour conséquence la dispersion du signal générant une image floue de la structure en mouvement. La présence d’un matériau magnétique dans le tunnel de l’IRM entraîne la distorsion des lignes du champ magnétique, comme l’illustre la figure V.5. En effet, la procédure d’acquisition de données d’IRM repose sur la présence d’un fort champ magnétique homogène −→b0, et de trois gradients de champ magnétique qui doivent être bien définis. Ainsi, classiquement les distorsions des lignes de champ ont principalement deux impacts :
1. déphasage intravoxel8 : les spins à l’intérieur d’un seul voxel sont déphasés en raison de l’inhomogénéité du champ magnétique, ce qui conduit à un amortissement ou à une perte du signal ;
2. erreurs de repérage spatial : le schéma de codage est corrompu et les signaux sont enregistrés de manière incorrecte, ce qui provoque des franges brillantes autour des objets métalliques.
(x, y, z) ??
(a) (b)
(c) (d) Reconstruction
de volume
Figure V.5 – Exemple d’artefact produit par une sphère en acier de diamètre 2.5 mm dans un gel d’agarose : artefact obtenu avec une séquence (a) SE, (b) SSFSE, (c) GE ; et (d) le volume reconstruit de l’artefact obtenu avec la séquence GE.
La forme de l’artefact dépend de plusieurs facteurs liés à la taille et à la matière de l’objet magnétique. Il faut également noter que les paramètres de la séquence tels que le type d’écho (SE, GE, etc.) et le temps d’écho (TE) jouent aussi un rôle dans l’apparence des artefacts (voir figure V.5). Généralement, les séquences GE produisent des artefacts beaucoup plus grands que les séquence SE, en terme de volume. Cela est dû à leur incapacité à compenser l’inhomogénéité du champ magnétique constant dans le temps.
Par conséquent, les microrobots magnétiques utilisés gérèrent des artefacts dans les données observées. Dans la mesure où ces artefacts ont globalement des tailles 20 à 100 fois supérieurs aux microrobots utilisés, ils permettent de percevoir des microrobots de dimensions inférieures à la résolution de l’IRM.
V.1.4.3 L’environnement logiciel de l’IRM
Comme préalablement indiqué, les constructeurs d’IRM préservent l’accès matériel et logiciel de leur plateforme. En particulier, l’IRM Siemens Magnetom Verio 3T utilisé dans nos travaux, dispose d’un environnement complexe appelé IDEA9. Cet environnement de développement en C++ permet aux développeurs de simuler la génération de séquences et l’acquisition de données de l’imageur Verio 3T. Pour cela, IDEA comprend principalement deux modules : Sequence Development Environment (SDE) et Image Calculation Environment (ICE), qui sont utilisés lors de chaque acquisition d’image. Le premier module SDE permet d’écrire et d’exécuter des
V.1. Imagerie par résonance magnétique (IRM)
séquences (GE, SE, FLASH, HASTE, etc.). Le module ICE permet la reconstruction d’images en utilisant les données de l’espace-K acquises au cours de la séquence. En utilisant les capacités temps-réel disponibles dans l’environnement IDEA, il est possible d’interagir sur les séquences en cours d’exécution à partir du module ICE. Notamment, les amplitudes et directions des gradients de champ magnétique, ainsi que les signaux RF peuvent être modifiés à la volée.
Pour une exploitation optimale des performances de l’IRM Verio 3T, il est nécessaire d’y inté-grer l’architecture présentée dans le chapitre I, et d’adapter nos algorithmes de navigation dans l’environnement logiciel IDEA. Cependant, l’accès à cet environnement est rarement autorisé par le constructeur de l’IRM (ici Siemens). Ces limitations ont pour motivation de préserver l’intégrité de l’IRM pour les consultations cliniques. Néanmoins, avec nos partenaires de l’AMiR et du Pius-Hospital, nous avons obtenu les agréments nécessaires pour intégrer nos contributions dans la partie logicielle du système à partir de l’environnement IDEA.
Cependant, l’IRM Verio 3T étant avant tout initialement conçu pour être un dispositif d’ima-gerie médicale, l’environnement IDEA ne possède principalement que des fonctionnalités d’ana-lyse et de traitement de données d’IRM. C’est pourquoi, le besoin de définir des outils et des méthodes facilement intégrables dans un IRM conventionnel est primordial.
V.1.4.4 Multiplexage temporel
Les bobines de gradient initialement utilisées pour l’imagerie sont exploitées ici conjointement pour la propulsion et le suivi du microrobot. Une architecture spécifique permettant la gestion temporelle des actions à réaliser doit donc être mise en œuvre. En effet, l’une des difficultés à surmonter, pour utiliser les IRM comme plateforme de MRN, concerne la coordination des tâches d’actionnement et de suivi. Pour cela, il faut appliquer une séquence temporelle spéci-fique gérant les alternances de phases de propulsion et d’imagerie [146]. Selon les spécificités de l’environnement IDEA de l’IRM Verio 3T utilisé, la figure V.6 illustre l’ordonnancement du séquencement pour la navigation d’un microrobot, adapté des travaux du professeur Sylvain Martel et al. [146].
Trois événements principaux composent alors les étapes du multiplexage temporel, dénoté Tcycle. Le cycle débute par une phase d’imagerie Timg, avec la génération de séquences du type GE, SE, HASTE, FLASH, etc. Cette étape permet alors de déterminer la position du microro-bot à partir des données d’IRM. Puis, un événement de synchronisation Tsync est inséré avant le déclenchement de la phase de propulsion Tprop. Durant l’étape d’actionnement, la nouvelle commande est calculée et appliquée lors d’une séquence de propulsion spécifique. Un cycle se décompose alors comme suit :
Tcycle = Tprop+ Timg+ Tsync, (V.1)
Ces séquences sont répétées jusqu’à ce que le processus de navigation soit terminé.
Le rapport cyclique, entre la durée d’un cycle et l’actionnement magnétique, est alors défini par :
τ = Tprop
Tcycle (V.2)
Pour prévenir des dérives du microrobot lors du suivi du chemin de référence, ce rapport τ doit être adapté afin d’appliquer des valeurs de gradient magnétique suffisantes pour assurer la phase de propulsion Tprop. Nous avons vu dans la section III.6, que pour obtenir des performances de navigation optimales, le rapport cyclique de multiplexage temporel doit être fixé à τ = 40%.
Formation d'image Suivi deposition
Calcul de la commande Séquence de propulsion Gx Gy Gz tcycle(1) Acquision du signal RMN
IC
E
SDE
temps tcycle(2)timg(1) tact(1) timg(2) tact(2)
IDEA
Séquenced'imagerie
Gx Gy Gz
Formation d'image Suivi deposition
Calcul de la commande Séquence de propulsion Gx Gy Gz Commande en gradient (Gx, Gy, Gz) Acquision du signal RMN Séquence d'imagerie Gx Gy Gz Imagerie calcul de la position du microrobot Actionnement propulsion du microobot Imagerie calcul de la position du microrobot Actionnement propulsion du microrobot tsync(1) tsync(2) Commande en gradient (Gx, Gy, Gz)
Base de données Base de données
Figure V.6 – Multiplexage temporel permettant la gestion des phases d’imagerie et de propulsion. V.1.4.5 Analyse
L’IRM est un dispositif communément accessible dans les milieux hospitaliers, ce qui constitue un outil puissant d’imagerie aidant au diagnostique médical. En particulier, sa faculté intrinsèque à générer des champs ou gradients de champ magnétique en fait potentiellement l’instrument idéal pour la navigation endovasculaire par MRN. Pour cela, nous avons proposé une architecture dédiée, qui est présentée dans la section suivante.