image: A team led by Professor Sylvain Martel at the Polytechnique Montréal Nanorobotics Laboratory has developed a novel approach to tackling one of the biggest challenges of endovascular surgery: how to reach the most difficult-to-access physiological locations. Their solution is a robotic platform that uses the fringe field generated by the superconducting magnet of a clinical magnetic resonance imaging (MRI) scanner to guide medical instruments through deeper and more complex vascular structures. The approach has been successfully demonstrated in-vivo. view more
Credit: Massouh bioMEDia for the Polytechnique Montréal Nanorobotics Laboratory
L'équipe du Pr Sylvain Martel, du Laboratoire de nanorobotique de Polytechnique Montréal, a mis au point une approche inédite pour résoudre ce qui constitue l'un des plus grands défis de la chirurgie endovasculaire, soit l'intervention dans les zones physiologiques les plus difficiles d'accès. Sa solution consiste en une plateforme robotique qui utilise le champ magnétique externe généré par l'aimant supraconducteur d'un appareil d'imagerie à résonance magnétique (IRM) pour faire naviguer plus profondément des instruments médicaux à l'intérieur de zones vascularisées complexes. L'expérimentation in vivo de cette approche a été réalisée avec succès et fait l'objet d'un article qui vient d'être publié dans Science Robotics.
Quand un chercheur pense « hors de la boîte », littéralement
Imaginez devoir pousser un fil fin comme un cheveu pour pouvoir pénétrer à l'intérieur d'un long tube étroit et plein de circonvolutions. Le manque de rigidité du fil et les forces de friction exercées sur les parois du tube finiraient par rendre la manuvre impossible, le fil finissant par se plier et se coincer dans une spire du tube. C'est le défi auquel sont confrontés les chirurgiens qui visent à intervenir de façon peu invasive dans des zones de plus en plus profondes du corps humain, en cherchant à faire naviguer un fil guide ou d'autres instruments (cathéters, par exemple) dans des vaisseaux sanguins fins et tortueux.
Cependant, il est possible de créer une force de traction sur le fil qui s'ajoute à la force de poussée afin de contrecarrer les forces de friction dans le vaisseau et permettre à l'instrument de se rendre beaucoup plus loin. Il s'agit d'aimanter l'extrémité du dispositif et de tirer celui-ci à l'intérieur des vaisseaux grâce à l'attraction d'un autre aimant. Seul un puissant aimant supraconducteur situé à l'extérieur du patient peut fournir la force d'attraction magnétique nécessaire pour permettre au dispositif aimanté de naviguer le plus loin possible. Or, parmi les équipements hospitaliers actuels, il se trouve une machine capable de jouer ce rôle : l'appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM), dont l'aimant supraconducteur génère un champ magnétique d'au moins des dizaines de milliers de fois la valeur du champ magnétique terrestre.
Toutefois, à l'intérieur de l'appareil IRM, le champ magnétique est uniforme pour permettre de prendre des images du patient. Cette uniformité pose une difficulté, car pour tirer la pointe de l'instrument dans les méandres des vaisseaux sanguins, il faut que le champ puisse atteindre la plus grande amplitude possible et décroître le plus rapidement possible.
C'est ici que le Pr Sylvain Martel a eu l'idée d'utiliser non pas le champ magnétique principal qui s'exerce à l'intérieur du tunnel de l'IRM, mais le champ magnétique résiduel (fringe field) à l'extérieur de l'appareil. « Les fabricants d'appareils IRM cherchent habituellement à diminuer au maximum ce champ marginal. Il en résulte un champ d'une très grande amplitude qui décroît très rapidement. Pour nous, ce champ représente une excellente solution qui dépasse de loin les meilleures approches actuelles de navigation magnétique. Et ceci dans un espace périphérique propice aux interventions à échelle humaine. À notre connaissance, c'est la première fois que ce champ externe de l'IRM est utilisé pour une application médicale », rapporte le Pr Martel.
Déplacer le patient plutôt que le champ magnétique
Pour faire naviguer un instrument profondément dans les vaisseaux sanguins, non seulement une grande force d'attraction est requise, mais il est nécessaire d'orienter cette force pour tirer la pointe de l'instrument dans diverses directions le long des vaisseaux sanguins. Or, pour changer la direction du champ, il est impossible de déplacer l'appareil IRM autour du patient à cause de sa taille et de son poids. Afin de contrer cette impossibilité, c'est plutôt le patient qui est déplacé à proximité de l'IRM. La plateforme conçue par l'équipe du Pr Martel comprend une table robotisée placée dans le champ périphérique situé à proximité de l'appareil IRM.
Conçue par Arash Azizi, principal auteur de l'article et doctorant en génie biomédical sous la direction du Pr Martel, cette table capable de bouger dans toutes les directions positionne et oriente le patient en fonction de la direction vers laquelle on souhaite tirer l'instrument naviguant à l'intérieur du corps. La table se déplace et s'oriente automatiquement à la position optimale à chaque étape du trajet de l'instrument grâce à un système de cartographie des forces directionnelles du champ magnétique externe de l'IRM. Une technique dénommée fringe field navigation (FFN) par le Pr Martel.
Une étude réalisée in vivo guidée par rayons X a démontré la capacité de la solution à faire naviguer de façon efficace et peu invasive un instrument de très faible diamètre dans des zones profondes de vascularisation complexe, habituellement non accessibles par les méthodes connues.
La robotique pour seconder le chirurgien
Cette solution robotique, dont la performance se situe bien au-delà de celle des procédures manuelles et des plateformes magnétiques existantes, permet des interventions endovasculaires dans des régions très profondes, et donc actuellement inaccessibles, du corps humain.
Cette méthode promet d'élargir les possibilités d'application de nombreuses interventions médicales, notamment les diagnostics, l'imagerie et les traitements locaux. Elle pourrait notamment seconder les chirurgiens dans les interventions qui requièrent les procédures les moins invasives possibles, par exemple le traitement des problèmes cérébraux comme les anévrismes ou les accidents cardiovasculaires.
Ces travaux de recherche ont reçu l'appui du Programme des chaires de recherche du Canada.
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À propos de Polytechnique Montréal
Fondée en 1873, Polytechnique Montréal, université d'ingénierie, est l'une des plus importantes universités d'enseignement et de recherche en génie au Canada. Elle occupe le premier rang au Québec pour l'ampleur et l'intensité de ses activités de recherche en génie. Polytechnique Montréal est située sur le campus de l'Université de Montréal, le plus grand complexe universitaire francophone en Amérique. Avec plus de 50 000 diplômés, Polytechnique a formé 22 % des ingénieurs en exercice membres de l'Ordre des ingénieurs du Québec (OIQ). Elle propose plus de 120 programmes de formation. Polytechnique compte 280 professeurs et 9 000 étudiants. Son budget annuel global s'élève à 260 millions de dollars, incluant un budget de recherche de près de 100 millions de dollars.
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Science Robotics