Design and Implementation of a Fuzzy Controller for Steering Microparticles Inside Blood Vessels by Using a MRI System

RÉSUMÉ Le présent mémoire porte sur l’étude de la conception et la réalisation d’un contrôleur flou avec une seule entrée et multiples sorties. Une telle étude vise à pouvoir contrôler un appareil clinique d’Imagerie par résonance magnétique (IRM) pour fournir des forces de pilotage dans le but de naviguer une microparticule ferromagnétique ou une agrégation de ces microparticules le long d’une trajectoire prédéfinis à l’intérieur du système cardio-vasculaire humaine. L’algorithme de ce contrôleur a été proposé sur un modèle mathématique du fluide dynamique, et sa validité a été vérifiée par les résultats préliminaires de simulations en 2-D générés avec les logiciels MATLAB et C++. À l’aide d’un IRM clinique, des expériences de navigation en temps réel sur des petites perles ainsi que des microparticules ont également été réalisées dans un flux pulsatile. Connexes données expérimentales peuvent prouver que, malgré certaines limites, ce type de contrôleur flou a le potentiel pour devenir le contrôleur approprié appliqué à la navigation par résonance magnétique (NRM).----------ABSTRACT In this thesis, a Single-Input-Multiple-Output (SIMO) fuzzy controller is designed to drive an upgraded clinical real-time Magnetic Resonance Imaging (MRI) machine to provide steering forces for a single microparticle and an aggregation of ferromagnetic microparticles in the human cardiovascular system according to a pre-defined pathway. Based on a fluid dynamic mathematical model, the validity of this kind of controller has firstly been tested by preliminary 2-Dimensional (2-D) simulation results with MATLAB/C++ hybrid programming. With both the beads and real microparticles, real-time experiments were also performed with simulated Magnetic Resonance (MR) sequences and 2-D pulsatile flow. Related experimental data also illustrates that, despite some limitations, this kind of fuzzy controller has the potential to be the appropriate controller for Magnetic Resonance Navigation (MRN)

Therapeutic Magnetic Microcarriers Characterization by Measuring Magnetophoretic Attributes

RÉSUMÉ Des micro/nano-robots sont considérés comme une approche prometteuse pour mener des interventions minimalement invasives. Nous avons proposé d'intégrer des nanoparticules magnétiques dans des agents thérapeutiques ou de diagnostic afin de les contrôler magnétiquement. Un scanner d’imagerie par résonance magnétique (IRM) clinique modifié est utilisé afin de fournir la force motrice qui permet à ces microporteurs magnétiques à naviguer dans le réseau vasculaire humain. En utilisant des séquences spécifiques des gradients de résonance magnétique (MR) cette méthode a été validée dans des travaux de recherche antérieurs. Magnétophorèse est le terme utilisé pour décrire le fait qu'une particule magnétique modifie sa trajectoire sous l'influence d'une force magnétique tout en étant portée par un flux de fluide. Ce mouvement dépend des caractéristiques de la particule magnétique, de sa forme géométrique, des attributs de l'écoulement de fluide et d'autres facteurs. Dans notre méthode proposée, les microporteurs magnétiques peuvent être réalisés de différentes manières, et donc leur réponse sera différente à la même force magnétique et dans les mêmes conditions d'écoulement de fluide. Le résultat du traitement thérapeutique utilisant notre méthode dépend de la sélection adéquate des agents thérapeutiques et/ou de diagnostic à utiliser. Le microporteur magnétique thérapeutique et /ou de diagnostic choisi influe également sur le choix de la séquence des gradients magnétiques que meilleur se ajustement pour un traitement donné. Ce mémoire de maîtrise présente la conception d'un dispositif destiné à évaluer les propriétés magnétophorétiques des agents microporteurs magnétiques thérapeutiques et/ou de diagnostic. Une telle caractérisation est essentielle pour déterminer les séquences optimales des gradients magnétiques pour dévier leur trajectoire à travers des réseaux vasculaires relativement complexes dans le but d'atteindre un objectif prédéfini. Un dispositif microfluidique est fabriqué pour valider la conception. Las vitesses magnétophorétiques sont mesurées et une méthode de suivi simple est proposée. Les résultats des experiences préliminaires indiquent que, malgré certaines limitations, la technique proposée a le potentiel d’être approprié pour caractériser n'importe quel microporteur magnétique thérapeutique et/ou de diagnostic contenant différents taux de nanoparticules magnétiques.----------ABSTRACT Micro/nano robots are considered a promising approach to conduct minimally invasive interventions. We have proposed to embed magnetic nanoparticles in therapeutic or diagnostic agents in order to magnetically control them. A modified clinical Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanner is used to provide the driving force that allows these magnetically embedded microcarriers to navigate the vascular human network. By using specific Magnetic Resonance (MR) gradient sequences this method has been validated in previous research works. Magnetophoresis is the term used to describe the fact that a magnetic particle changes its trajectory under the influence of a magnetic force while being carried by a fluid flow. This movement depends on the particle’s magnetic characteristics, the particle’s geometric shape, the fluid flow’s attributes and other factors. In our proposed method, magnetic microcarriers can be produced in several different ways, and so their response will differ to the same magnetic force and fluid flow conditions. The outcome of the therapeutic treatment using our method depends on the adequate selection of the therapeutic and/or diagnosis agents to be used. The selected therapeutic and/or diagnosis magnetic microcarrier also influences the selection of the MR gradient sequence that best fit for a given treatment. This master’s thesis presents the design of a device intended to assess the magnetophoretic properties of magnetic therapeutic microcarriers and/or diagnostic agents. Such characterization is essential for determining the optimal sequences of magnetic gradients to deflect their trajectory through relatively complex vascular networks in order to reach a pre-defined target. A microfluidic device was fabricated to validate the design. Magnetophoretic velocities are measured and a simple tracking method is proposed. The preliminary experimental results indicate that, despite some limitations, the proposed technique has the potential to be appropriate to characterize any drug and/or diagnosis magnetic microcarrier containing different magnetic nanoparticle content

Proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress

Published proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress, hosted by York University, 27-30 May 2018