Plateforme pour le guidage de dispositifs thérapeutiques sub-millimétriques par IRM

RÉSUMÉ L'utilisation des micro-robots en chirurgie minimalement invasive est un domaine de recherche très actif, et au potentiel très important. Il s'agit de doter les équipes médicales d'outils techniques leur permettant de surpasser les problèmes auxquels elles font face : traitement invasif, zones inaccessibles, infections nosocomiales, etc. Les micro-robots ont en effet le potentiel de pouvoir atteindre des endroits jusqu'ici inaccessibles par les chirurgiens tout en étant introduits dans le corps par une opération minime présentant de faibles risques. Ils peuvent être fonctionnalisés pour remplir une multitude de tâches : administration de médicament, prélèvement de cellules malades, pose de stent, ablation, etc. Miniaturiser un tel dispositif et lui fournir l'énergie nécessaire à son fonctionnement est un défi majeur. Nous proposons l'utilisation de forces magnétiques pour y répondre, la force peut ainsi être générée et contrôlée depuis l'extérieur du micro-robot. Notre méthode se base sur l'utilisation d'un scanner d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Les scanners d'IRM sont des outils répandus dans les hôpitaux qui ont la particularité d'être composés d'un puissant champ magnétique permanent et de bobines de gradients magnétiques tridimensionnelles capable de moduler ce champ très rapidement et très précisément. Ces gradients peuvent générer la force dont nous avons besoin pour déplacer notre dispositif thérapeutique. Cette approche a été validée par des travaux de recherche précédents et nous souhaitons continuer à réduire la taille des micro-robots navigués. Cela entraîne un besoin de force magnétique supplémentaire qui se heurte aux capacités de l'IRM. Nous proposons alors de lui adjoindre du matériel capable d'engendrer une force magnétique 20 fois supérieure. Nous avons également besoin de connaître précisément l'emplacement du dispositif dans le système vasculaire pour mener à bien la navigation. Cette étape de localisation peut également être réalisée par une utilisation détournée du scanner d'IRM. Il se forme en effet une distorsion du champ magnétique lorsque l'on insère un élément métallique dans un IRM, nous pouvons exploiter ce phénomène pour isoler l'origine de la perturbation. L'IRM nous fournit donc à la fois un capteur et un actionneur. Le rôle du contrôleur pourra quant à lui être rempli par le personnel médical qui guidera le dispositif pour aux endroits appropriés. Le présent mémoire de maîtrise porte sur la mise en place d'une telle plateforme à l'École Polytechnique de Montréal. Nous proposons d'étudier le cas de la navigation d'un cathéter muni d'une bille métallique de 0.9 mm de diamètre. Pour parvenir à le naviguer magnétiquement, nous implémentons la technique de localisation présentée plus haut dans l'IRM du laboratoire de Nanorobotique. La mise en œuvre de cette technique est alors testée et validée pour le positionnement d'un cathéter (précision et linéarité du positionnement, influence des paramètres). Nous réalisons également la prise en main du nouveau système de génération de gradients magnétiques pour la propulsion. Ce matériel prototype est testé en profondeur afin de déterminer son adéquation à nos besoin et la façon d'en tirer partie au mieux. Nos expériences montrent que le matériel est adapté à des procédures de cathéters ou de fils-guides, mais qu'il présente des lacunes compromettant son utilisation pour la navigation en boucle fermée de dispositifs micrométriques. Nous réalisons enfin un ensemble de logiciels destinés à former une structure cohérente, mettant en relation nos capacités de localisation et de propulsion, au service de l'équipe médicale. Un serveur temps-réel est conçu pour prendre le contrôle du système de propulsion. Nous lui adjoignons une interface graphique cliente qui communique avec lui par réseau. Le système informatique est testé et amélioré au fur et à mesure des souhaits émis par les utilisateurs afin de parvenir à une plateforme conviviale et efficace. De nombreux tests en conditions in-vitro sont réalisés au cours de ce travail de maîtrise, tous les composants de la plateforme sont caractérisés et validés. Le projet de guidage magnétique prend tout son sens avec la réalisation d'expérimentation in-vivo, où nous parvenons à guider un fil-guide muni d'un embout magnétique de 0.9 mm de diamètre dans le système vasculaire de lapins vivants.---------ABSTRACT The use of microrobots in minimally invasive surgery is a very active research field where potential applications are numerous. The goal is to provide medical teams with technical tools in order to help them overcoming some of their current issues : invasive treatments, inaccessible areas, nosocomial infections, etc. Microrobots have indeed the potential to reach areas previously inaccessible by surgeons while being introduced into the body with a small incision with reduced risk. They can be functionalized to perform many kind of tasks: drug delivery, biopsy, stent deployment, ablation, etc. Reducing the size of such a device while providing the energy necessary for its operation is a major challenge. We propose the use of magnetic forces to this purpose, the force can be generated and controlled from outside the microrobot. Our method takes advantage of a magnetic resonance imaging scanner (MRI). MRI scanners are medical imaging tools widely used in hospitals. They have the key characteristic of being composed of a powerful permanent magnetic field and three-dimensional magnetic gradient coils which can apply variations on the main field very quickly and precisely. These gradients are able to generate the force we need to move a therapeutic device as it has been validated by previous research. We are looking to reduce the size of the navigated devices. This causes a need for additional magnetic force that conflicts with the capabilities of MRI. We propose to enhance the MRI with equipment capable of generating a magnetic force 20 times higher. Efficient navigation also needs the precise location of the device in the vascular system. This tracking part can also be performed by an alternate use of the MRI scanner. We take advantage of the magnetic field distortion caused by the ferromagnetic element to isolate the source of the phenomenon. With these two possibilities, the MRI provides us with both a sensor and an actuator. In the end, the role of the controller can be played by the medical team who will guide the device into the vessel network. This master's thesis focuses on the making of such a platform at École Polytechnique de Montréal. We propose to study the case of the catheter navigation with a 0.9 mm diameter metal tip. To achieve magnetic navigation, we implement the localization technique presented earlier in the MRI of the Nanorobotics Laboratory. The implementation of this technique is then tested and validated for the positioning of a catheter (positioning accuracy and linearity, influence of parameters). We also learn to use the new magnetic gradient equipment intended for propulsion. This prototype is tested to determine its suitability for our needs and how to take advantage of it. Our experiments show that the propulsion system may be used with catheter navigation procedures, however we identified issues that prevent it from running closed loop controlled particles steering procedures. We finally design and implement a set of software to assemble our tracking and propulsion system in a coherent platform to be used by a medical team. A real-time server is designed to take control of the propulsion system. We design a GUI client that communicates with him through network. The infrastructure is tested and improved with the feedback expressed by users in order to achieve an effective and user-friendly platform. Numerous tests in in-vitro conditions are achieved during this study, all platform components are characterized and validated. The proposed magnetic navigation procedure is brought to completion with in-vivo experiments where we navigate a guidewire with a 0.9 mm magnetic tip in the vasculature of live rabbits

Modeling and design of an electromagnetic actuation system for the manipulation of microrobots in blood vessels

Tese de mestrado integrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015A navegação de nano/microdispositivos apresenta um grande potencial para aplicações biomédicas, oferecendo meios de diagnóstico e procedimentos terapêuticos no interior do corpo humano. Dada a sua capacidade de penetrar quase todos os materiais, os campos magnéticos são naturalmente adequados para controlar nano/microdispositivos magnéticos em espaços inacessíveis. Uma abordagem recente é o uso de um aparelho personalizado, capaz de controlar campos magnéticos. Esta é uma área de pesquisa prometedora, mas mais simulações e experiências são necessárias para avaliar a viabilidade destes sistemas em aplicações clínicas. O objectivo deste projecto foi a simulação e desenho de um sistema de atuação eletromagnética para estudar a locomoção bidimensional de microdispositivos. O primeiro passo foi identificar, através da análise de elementos finitos, usando o software COMSOL, diferentes configurações de bobines que permitiriam o controlo de dispositivos magnéticos em diferentes escalas. Baseado nos resultados das simulações, um protótipo de um sistema de atuação magnética para controlar dispositivos com mais de 100 m foi desenhado e construído de raiz, tendo em conta restrições de custos. O sistema consistiu num par de bobines de Helmholtz e rotacionais e um par de bobines de Maxwell dispostas no mesmo eixo. Além disso, componentes adicionais tiveram de ser desenhados ou selecionados para preencher os requisitos do sistema. Para a avaliação do sistema fabricado, testes preliminares foram realizados. A locomoção do microrobot foi testada em diferentes direções no plano x-y. As simulações e experiências confirmaram que é possível controlar a força magnética e o momento da força que atuam num microdispositivo através do campos produzidos pelas bobines de Maxwell e Helmholtz, respectivamente. Assim, este tipo de atuação magnética parece ser uma forma adequada de transferência de energia para futuros microdispositivos biomédicos.Navigation of nano/microdevices has great potential for biomedical applications, offering a means for diagnosis and therapeutic procedures inside the human body. Due to their ability to penetrate most materials, magnetic fields are naturally suited to control magnetic nano/microdevices in inaccessible spaces. One recent approach is the use of custom-built apparatus capable of controlling magnetic devices. This is a promising area of research, but further simulation studies and experiments are needed to estimate the feasibility of these systems in clinical applications. The goal of this project was the simulation and design of an electromagnetic actuation system to study the two dimensional locomotion of microdevices. The first step was to identify, through finite element analysis using software COMSOL, different coil configurations that would allow the control of magnetic devices at different scales. Based on the simulation results, a prototype of a magnetic actuation system to control devices with more than 100 m was designed and built from the ground up, taking into account cost constraints. The system comprised one pair of rotational Helmholtz coils and one pair of rotational Maxwell coils placed along the same axis. Furthermore, additional components had to be designed or selected to fulfil the requirements of the system. For the evaluation of the fabricated system, preliminary tests were carried out. The locomotion of a microdevice was tested along different directions in the x-y plane. The simulations and experiments confirmed that it is possible to control the magnetic force and torque acting on a microdevice through the fields produced by Maxwell and Helmholtz coils, respectively. Thus, this type of magnetic actuation seems to provide a suitable means of energy transfer for future biomedical microdevices

Guidage magnétique par champs de dipôles pour l’administration ciblée d’agents thérapeutiques

Les chimiothérapies modernes utilisées pour le traitement des cancers consistent souvent à l’injection systémique de molécules toxiques dont généralement une infime partie atteint la tumeur. Pour augmenter l’efficacité de ces traitements et réduire leurs effets secondaires, une solution consiste à guider magnétiquement des agents thérapeutiques afin de les diriger dans le réseau vasculaire, à partir du point d’injection directement vers la zone à traiter. Ceci peut être accompli en appliquant des champs et des gradients magnétiques de manière contrôlée sur les agents, qui sont alors soumis à des forces de propulsion permettant de les attirer à travers les bifurcations artérielles désirées. Pour le guidage de micro-agents, cette approche requiert des champs et des gradients magnétiques forts. Le champ permet de magnétiser les agents et doit idéalement être suffisamment fort pour les amener à saturation magnétique. Les gradients (variations spatiales du champ) peuvent alors induire des forces magnétiques de propulsion, mais doivent atteindre une certaine amplitude pour que ces forces soient suffisantes. Avec les limites technologiques actuelles, il est difficile de rencontrer ces deux critères pour le guidage de micro-agents à l’échelle humaine. Dans les tissus profonds, les méthodes existantes sont généralement limitées à des champs de <0.1T et des gradients de <400 mT/m, ou peuvent générer un champ assez fort pour obtenir une magnétisation à saturation mais au détriment de gradients faibles (e.g. <100mT/m ou typiquement <40 mT/m). Dans le cadre de ce projet de recherche, une nouvelle méthode de guidage magnétique, baptisée guidage par champs de dipôles, ou Dipole Field Navigation (DFN), est proposée et étudiée pour surmonter les limitations des méthodes précédentes pour le guidage de micro-agents. Contrairement aux autres méthodes de guidage magnétique, DFN bénéficie à la fois d’un champ magnétique fort et de gradients d’amplitudes élevées dans les tissus profonds chez l’humain. Ceci est accompli à l’aide de corps ferromagnétiques précisément positionnés autour du patient à l’intérieur d’un appareil clinique d’imagerie par résonance magnétique. Ces appareils génèrent un puissant champ magnétique, typiquement de 1.5-3 T, qui est suffisant pour atteindre la saturation magnétique des agents. Les corps ferromagnétiques ont pour effet de distordre le champ de l’appareil de sorte que des gradients excédant 400mT/m peuvent être générés à une profondeur de 10 cm dans le patient. Grâce aux distorsions complexes du champ autour de ceux-ci, il est théoriquement possible d’induire, dans une certaine mesure, les forces magnétiques nécessaires au guidage des agents le long de trajectoires prédéfinies dans le réseau vasculaire. Le paramétrage adéquat d’une disposition de corps ferromagnétiques, dont le nombre requis est a priori inconnu, est toutefois complexe et doit être effectué en fonction de la trajectoire vasculaire désirée, spécifique à chaque patient. Différentes contraintes reliées à l’environnement d’IRM, dont l’espace restreint à l’intérieur de l’appareil, doivent également être prises en compte. Ainsi, des modèles et algorithmes d’optimisation permettant de résoudre ce problème sont développés et présentés. Le fonctionnement de la méthode est validé in vitro par le guidage de particules à travers des réseaux ayant jusqu’à trois bifurcations consécutives avec un taux de ciblage supérieur à 90%. Il est démontré que la taille et la forme des corps ferromagnétiques peuvent être variées afin d’augmenter les capacités de génération de gradients. En particulier, les formes de disque et de demie-sphère sont identifiées comme étant les plus efficaces. Par ailleurs, l’environnement d’IRM n’étant typiquement pas compatible avec la présence de matériaux magnétiques, les effets des corps ferromagnétiques sur l’imagerie sont étudiés. Il est démontré que l’imagerie demeure possible, dans une certaine mesure malgré les distorsions, dans des régions spécifiques autour d’une sphère magnétisée à l’intérieur de l’appareil. La qualité des images obtenues dans ces conditions est suffisante pour permettre de valider le succès du ciblage. Ainsi, des vérifications périodiques du déroulement de l’intervention seraient possibles en éloignant momentanément le ou les corps ferromagnétiques du patient. D’autre part, à cause des forces magnétiques exercées sur ceux-ci, le nombre et la taille des corps ferromagnétiques doivent être limités afin de faciliter leur insertion et leur positionnement sécuritaire dans l’appareil. Bien que certaines trajectoires puissent nécessiter plusieurs corps ferromagnétiques de grande taille, un certain compromis doit donc être recherché par rapport à la qualité des gradients générés. Enfin, le potentiel de la méthode pour le guidage de microagents dans les tissus profonds chez l’humain est évalué en utilisant un modèle du réseau vasculaire du foie d’un patient. Les résultats indiquent que, pour des trajectoires vasculaires multi-bifurcations relativement complexes, un compromis est inévitable entre les amplitudes et la précision angulaire des gradients générés. Par exemple, des gradients d’environ 150mT/m ont été obtenus pour le guidage à travers trois bifurcations consécutives dans ce modèle, mais avec une erreur angulaire moyenne d’environ 20_. Finalement, les capacités de DFN à générer des gradients forts dépendent de nombreux paramètres, comme la complexité et la profondeur de la trajectoire vasculaire visée, mais peuvent, selon les conditions, surpasser grandement celles des méthodes existantes pour le guidage de micro-agents dans les tissus profonds. À la lumière des résultats présentés dans cette thèse, le potentiel de la méthode est prometteur et justifie la poursuite du projet, notamment vers la réalisation des premiers essais in vivo. À ce titre, différentes pistes de recherches et de travaux futurs sont discutées.----------ABSTRACT Modern chemotherapies used in cancer treatment often involve the systemic administration of toxic molecules, of which usually a tiny fraction reaches the tumor. To increase the efficacy of these treatments while significantly reducing their secondary effects, a solution consists in magnetically guiding therapeutic agents in the vascular network, from an injection point directly towards the diseased site. This can be accomplished by applying controlled combinations of magnetic fields and gradients on the agents, which are then subjected to propulsive directional forces that can be used to steer them through the desired arterial bifurcations. For the navigation of micro-agents, this approach requires both a strong magnetic field and high gradients. The field strength is required to magnetize the agents and is ideally high enough to bring them at saturation magnetization. The gradients (spatial variations of the field) can then induce magnetic propulsion forces, but must reach a certain magnitude so that these forces are sufficient. Because of current technological limitations, it is challenging to meet both criteria for the navigation of micro-agents at the human scale. In deep tissues, current methods are in fact usually limited to <0.1T fields and <400mT/m gradients, or can provide the field to reach saturation magnetization but at the expense of weak gradients (e.g. <100mT/m or typically <40 mT/m). In this research project, a new method dubbed Dipole Field Navigation (DFN) is proposed and studied to overcome the limitations of existing magnetic navigation methods for guiding micro-agents. Unlike other methods, DFN can provide both a strong magnetic field and high gradients in deep tissues for whole-body interventions. This is achieved by precisely positioning ferromagnetic cores around the patient inside a clinical magnetic resonance imaging scanner. Conventional scanners generate a strong magnetic field, typically of 1.5-3 T, which is sufficient to bring the agents at saturation magnetization. The ferromagnetic cores distort the scanner’s field such that gradients exceeding 400mT/m can be generated at a 10 cm depth inside the patient. Due to the complex distortion patterns around the cores, it is theoretically possible to induce, to a certain extent, the magnetic forces required for navigating agents along predefined vascular routes. The parameterization of core configurations, in which the required number of cores is a priori unknown, is however complex and must be performed according to the specific vasculature of a given patient. Several constraints related to the MRI environment must also be considered, such as the limited space inside the scanner. Therefore, models and optimization algorithms are developed and presented for solving this problem. The feasibility of the method is validated in vitro by guiding particles through up to three consecutive bifurcations, achieving a targeting efficiency of over 90%. It is shown that the size and shape of the cores can be varied to increase the capabilities of the method for generating gradients. In particular, discs and hemispheres are shown to be the most effective shapes. Moreover, the MRI environment typically no being compatible with the presence of magnetic materials, the effects of the cores on imaging are studied. It is shown that, despite distortions, imaging is still possible, to a certain extent, in specific regions around a magnetized sphere placed in the scanner. The images obtained in these conditions are of sufficient quality for targeting assessment. Thus, periodic validations of the procedure could be achieved by momentarily moving the cores away from the patient. On another hand, due to the potentially strong magnetic forces exerted on the cores, their number and sizes must be limited to ensure their safe insertion and positioning in the scanner. Consequently, although the navigation in some vascular routes may require several large ferromagnetic cores, a certain compromise must be made with respect to the quality of the gradients generated. Finally, the potential of the method for guiding micro-agents in a human vasculature in deep tissues is evaluated using the vascular model of a patient liver. The results indicate that, for relatively complex vascular routes having multiple bifurcations, a compromise is also required between the amplitudes and the angular precision of the gradients. For example, gradient strengths around 150mT/m were obtained for routes having three consecutive bifurcations in this model, but with an average angular error of about 20_. Overall, the capabilities of DFN for generating strong gradients depend on several parameters, such as the complexity and depth of the desired vascular route, but can in a range of cases greatly exceed those achievable by previous methods for the navigation of micro-agents in deep tissues. In view of the results presented in this thesis, the promising potential of DFN motivates the continuation of this project, in particular towards the first in vivo experiments. As such, different avenues of research and future works are discussed

Nonlinear modeling and robust controller-observer for a magnetic microrobot in a fluidic environment using MRI gradients

International audienceThis paper reports the use of a MRI device to pull a magnetic microrobot inside a vessel and control its trajectory. The bead subjected to magnetic and hydrodynamic forces is first modeled as a nonlinear control system. Then, a backstepping approach is discussed in order to synthesize a feedback law ensuring the stability along the controlled trajectory. We show that this control law, combined with a high gain observer, provides good tracking performances and robustness to measurement noise as well as to some matched uncertainties

Application of micro/nanorobot in medicine

The development of micro/nanorobots and their application in medical treatment holds the promise of revolutionizing disease diagnosis and treatment. In comparison to conventional diagnostic and treatment methods, micro/nanorobots exhibit immense potential due to their small size and the ability to penetrate deep tissues. However, the transition of this technology from the laboratory to clinical applications presents significant challenges. This paper provides a comprehensive review of the research progress in micro/nanorobotics, encompassing biosensors, diagnostics, targeted drug delivery, and minimally invasive surgery. It also addresses the key issues and challenges facing this technology. The fusion of micro/nanorobots with medical treatments is poised to have a profound impact on the future of medicine

Navigation multi-bifurcations de corps ferromagnétiques avec un scanner d’imagerie par résonance magnétique

RÉSUMÉ Le nombre de personnes atteintes par le carcinome hépatocellulaire (CHC), un type de cancer du foie, est en progression croissante. Mondialement, le CHC est la seconde cause de mortalité chez les patients atteints par le cancer, à cause du taux de survie extrêmement faible. Le pronostic du CHC est très mauvais : aux USA et au Canada, le taux de survie à cinq ans est de 12% et 20% respectivement. Pour les personnes à un stade très avancé, les traitements possibles sont très limités. Un des traitements possibles est la chimioembolisation hépatique qui consiste à injecter des microparticules médicamenteuses dans le foie. L’objectif de ces particules est double : d’une part, elles embolisent les vaisseaux sanguins qui nourrissent les cellules tumorales et, d’autre part, libèrent des médicaments anti-cancer qui vont détruire les cellules malades. Malheureusement, en l’absence de tout contrôle, ces vecteurs thérapeutiques détruisent aussi des cellules saines de l’organe, en général en nombre limité. Pour ainsi améliorer les soins de ces patients, nous proposons d’utiliser le scanner d’imagerie à résonance magnétique (IRM) pour diriger ces microparticules dans la circulation sanguine dans le but de cibler uniquement les cellules malades. Les retombées de ce projet sont multiples pour le patient : entre-autres, diminution des effets secondaires, et procédures moins invasives et plus efficaces. Pas uniquement limitée au foie, la navigation par résonance magnétique (NRM) a réellement le potentiel de révolutionner certaines pratiques médicales et d’améliorer grandement la prise en charge et les soins pour les patients touchés par le cancer. Cette thèse décrit les stratégies à mettre en place afin de réaliser la NRM sur plusieurs canaux consécutifs afin de rendre les procédures de navigation plus ciblées et plus localisées. Pour atteindre cet objectif, plusieurs expériences ont été menées. Tout d’abord, nous avons prouvé qu’il était possible de guider une bille de 1 mm sur 4 canaux consécutifs à l’aide d’une bobine imagerie. Nous avons donc conçu un prototype microfluidique (fantôme) sous la forme d’un arbre, où chaque canal père se divise en deux canaux fils. Nous obtenons alors huit chemins possibles avec trois bifurcations (deux choix possibles à chaque jonction). Nous avons ainsi démontré que le guidage d’une bille sur trois bifurcations était possible, avec des gradients magnétiques inférieurs à 40 mT/m et donc équivalents à ceux utilisés par des IRM cliniques. Des vitesses de déplacement de 14 cm/s ont été mesurées. Suite à ces expériences de guidage, nous avons présenté quelques résultats sur la problématique de l’augmentation de la température : en effet, les bobines de gradient, lorsqu'utilisées pour faire de la navigation, chauffent rapidement et nécessitent des temps de refroidissement. Le ratio durée de guidage sur durée de refroidissement peut ainsi être faible sans stratégie de guidage adaptée. Ainsi, nous suggérons d’utiliser le temps de refroidissement de la bobine de propulsion afin de réaliser des séquences d’imagerie pour, par exemple, évaluer la dose injectée et réévaluer les paramètres de guidage. Expérimentalement, les séquences d'imagerie n'ont pas induit d'augmentation de la température et peuvent donc être exécutées sans perte de performance.----------ABSTRACT The number of new cases of Hepatocellular Carcinoma (HCC), one type of liver cancer, is on the rise. HCC is the second leading cause of cancer death worldwide, due to extremely low survival rate. Prognosis is very poor: the overall 5-year relative survival rate is 12% in the USA and 20% in Canada. The number of available treatments for patients diagnosed at distant stages of the disease is low. A possible treatment is the transarterial chemoembolization (TACE). TACE consists in a combined injection of embolic material and chemotherapeutic drugs. The benefit of TACE is two-fold: embolisation of tumor feeding arteries and local release of anti-cancer drugs directly to the tumoral cells. Unfortunately, without any control, these vectors may reach and kill surrounding healthy liver cells. To increase patient care, we propose to use the Magnetic Resonance Imaging scanner (MRI) as an actuator to navigate therapeutic microparticules into the bloodstream toward liver lesions. Potential outcomes for the patient are, among others, a reduction of side effects and a less invasive intervention. Not restricted to liver, Magnetic Resonance Navigation (MRN) shows promises to drastically change some medical procedures and to increase cancer patient care and management. This thesis decribes strategies to achieve MRN along multiple consecutive channels. In this objective, several experiments have been conducted. Firstly, we showed that a 1-mm bead can be navigated along four consecutives microfluidic channels using an imaging coil. A microfluidic phantom has been designed to obtain eight paths with three bifurcations (two possible choices at every junction). Using magnetic gradient amplitudes lower than 40 mT/m, which are equivalent to clinical MR scanners performance, we successfully steered a bead in all the eight paths. The velocity of the bead reached 14 cm/s. Following these experiments, we worked on potential issues regarding heat rise in the coil. Indeed, imaging coils heats up very quickly when used for MRN and therefore require some time to cool. Without any temperature management strategies, the navigation time over cooling time ratio can be low and thus the procedure duration may be longer. We therefore suggested using the cooling deadtime to apply imaging sequences and acquire information about injected dose or to re-assess navigation parameters. Experimentally, since no temperature rise was measured during the imaging sequences, there is no performance loss. From these observations, more characterisation tests were conducted on the imaging coil to find the most critical parameters regarding the heat rate. We measured an average time of two minutes before the coil reaches its critical temperature. In the worst-case scenario, where at least two gradients are applied simultaneously, less than one minute of propulsion at maximum power is available. From these results, a temperature model has been derived to predict heat rise according to the characteristics of the propulsion sequence. These equations will be integrated within a broad MRN model. Lastly, the inherent design of MRI only allows the application of a single force vector upon all magnetic bodies within a volume. It is therefore impossible to steer a continuous stream of particles along multiple consecutive vessels. One requirement for multiple-bifurcation navigation is therefore to create a discrete injection of particles (bolus) such that only one bolus is navigated at a time. Furthermore, a second requirement for multiple-bifurcation navigation is the synchronisation of the release of the bolus from the catheter with the start of the propulsion sequence

Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback

Soft miniaturized untethered grippers can be used to manipulate and transport biological material in unstructured and tortuous environments. Previous studies on control of soft miniaturized grippers employed cameras and optical images as a feedback modality. However, the use of cameras might be unsuitable for localizing miniaturized agents that navigate within the human body. In this paper, we demonstrate the wireless magnetic motion control and planning of soft untethered grippers using feedback extracted from B-mode ultrasound images. Results show that our system employing ultrasound images can be used to control the miniaturized grippers with an average tracking error of 0.4±0.13 mm without payload and 0.36±0.05 mm when the agent performs a transportation task with a payload. The proposed ultrasound feedback magnetic control system demonstrates the ability to control miniaturized grippers in situations where visual feedback cannot be provided via cameras