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Lauréate

Viviane Lalande

École Polytechnique de Montréal

Une tête chercheuse pour mieux soigner

Viviane Lalande - Concours de vulgarisation - 2011
Source : Viviane Lalande
Taille relative de la

Éviter la chirurgie ouverte. Tel est, à juste titre, un des leitmotive de la médecine de nos jours. Ces opérations sont en effet traumatisantes pour le corps, chronophages pour le personnel médical et coûteuses pour la société. Quand c’est possible, on fait donc le choix d’opérations dites minimalement invasives. Ces dernières sont généralement réalisées avec des cathéters, longs tubes de polymère de haute technologie, insérés dans les vaisseaux sanguins des patients grâce à une toute petite incision. Par le biais du réseau sanguin, les médecins naviguent dans le corps jusqu’à la zone problématique où ils procèdent à une injection de médicaments, une ablation, une observation...

La chirurgie minimalement invasive

Cette chirurgie est peu traumatisante, mais elle est encore à parfaire. L’un des problèmes que notre groupe cherche à résoudre est lié au caractère tortueux et labyrinthique de notre réseau sanguin. Si l’on pouvait se promener à l’intérieur de nos vaisseaux nous serions sans cesse face à ce terrible choix : droite ou gauche? Heureusement, le chirurgien possède une vue d’ensemble des vaisseaux grâce au fluoroscope, un appareil d’imagerie, et peut donc choisir les intersections le menant vers la zone à traiter. Cependant, transformer ce choix en une manœuvre efficace n’est pas trivial. De nombreux va-et-vient sont souvent nécessaires avant d’arriver à prendre la bonne intersection. Ces mouvements supplémentaires impliquent d’une part un temps de procédure plus long, et donc une plus grande exposition aux rayons ionisants du fluoroscope, et d’autre part, ils peuvent entraîner des lésions ou hématomes des vaisseaux sanguins aux conséquences potentiellement dramatiques.

Quelle solution?

Dans la solution que nous développons au laboratoire de Nano-Robotique de Polytechnique Montréal, le patient est placé dans le tunnel d’un appareil d’Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Le chirurgien observe en temps réel les images des tissus du patient et manipule l’embout de son cathéter, la tête chercheuse, grâce à un joystick qui commande les mouvements de l'embout. Le but ultime est d’amener le cathéter jusqu’au point le plus proche de la zone à traiter, sans créer de dommages sur son passage.

Utiliser un IRM

Les problèmes que nous évoquons sont connus depuis des décennies, aussi, ce n’est pas le guidage du cathéter qui est novateur, mais comment celui-ci est réalisé? La spécificité de notre projet est d’utiliser un appareil d’IRM qui peut à la fois guider et imager le cathéter sans ioniser ni le médecin, ni le patient. Rappelons que le fluoroscope, habituellement utilisé pour la visualisation, peut induire des cancers; les médecins sont d’ailleurs surveillés pour ne pas dépasser un certain degré d’exposition. Il est donc avantageux de supprimer cette contrainte de temps et de santé.

Au-delà de l’absence de rayons nocifs, cette plateforme apporte d’autres bénéfices. L’IRM est un scanneur permettant d’imager un patient en 2D et en 3D. L’IRM est essentiellement composé d’un puissant aimant de champ magnétique de 1,5T, soit 30 000 fois plus grand que le champ terrestre. Et nous nous servons de ce champ pour diriger la tête chercheuse.

Actionner la tête chercheuse

Au bout du cathéter, nous plaçons un embout de forme cylindrique, constitué d’une bille ferromagnétique, sensible au champ magnétique. Sa longueur est d’environ 3 mm et son diamètre, de 0.9 mm. C’est notre tête chercheuse.

Dès que le cathéter est placé au centre de l’IRM, notre tête chercheuse alors inerte s’active, se magnétise, grâce au puissant champ magnétique de l’appareil. Toutefois, pour mettre notre tête chercheuse en mouvement, il faut agir sur le champ de l’IRM en appliquant un gradient magnétique. Ce dernier créé des zones, au sein du tunnel, ayant un plus fort champ magnétique. Par simple attraction magnétique, la tête chercheuse se dirige alors vers la zone au champ élevé. De manière fluide et précise, le médecin pilote l’emplacement de ces zones avec le joystick au fur et à mesure de l’avancée du cathéter.

Visualiser la tête chercheuse

L’embout est métallique. Et ces matériaux sont incompatibles avec l’imagerie IRM traditionnelle puisqu’ils créent un « trou noir » dans l’image qui est environ 10 fois supérieur à la taille de l’embout. Cette tache, appelée artéfact, empêche alors de voir les alentours de la tête chercheuse. Pour contourner ce problème, nous avons modifié la fréquence des ondes électromagnétiques de l’IRM afin de pouvoir repérer, grâce à un algorithme développé dans notre laboratoire, le centre de cet artéfact avec une précision en deçà du millimètre. Ainsi, en superposant une image classique des tissus prise sans le cathéter magnétique et l’image modifiée sans les tissus mais avec le cathéter magnétique, on peut visualiser la progression du cathéter en direct.

La plateforme aujourd’hui

À ce jour, la mise en place de notre méthode de visualisation d’éléments magnétiques par modification de la méthode d’imagerie est un succès, et celle-ci est même utilisée dans plusieurs laboratoires de recherche à travers le monde. La tête chercheuse, quant à elle, est déjà placée au bout de nos cathéters de tests avec lesquels nous avons réalisé de nombreuses caractérisations. Ainsi, nous avons déterminé l’amplitude des gradients magnétiques nécessaires, c.-à-d. la différence de champ magnétique entre les zones, pour obtenir le déplacement du cathéter voulu. C’est d’ailleurs grâce à ces déterminations que nous avons pu établir que l’IRM seul ne suffit pas à déplacer le cathéter de façon significative lorsqu’il s’agit de prendre les intersections les plus étriquées du corps humain. Nous avons donc ajouté des bobines de gradients qui nous permettent d’avoir 10 fois plus de différence de champ magnétique entre nos zones et donc une attraction de notre tête plus importante. Dans le futur, il est envisageable que les constructeurs d’IRM souhaitent intégrer ce genre de bobines puisque cela permet non seulement le guidage de cathéters, mais également celui de nanoparticules magnétiques tels les médicaments anticancer ciblant les tumeurs.

Avec l’ajout de ces bobines, nous guidons notre cathéter in vitro, c’est-à-dire au travers de reproductions d’intersections du corps humain. La prochaine étape sera de valider les précédents tests et l’ensemble de la plateforme en conditions réelles, c’est-à-dire in vivo.

Ainsi, la plateforme de guidage de cathéters dotés d’une tête chercheuse apporte plus de sécurité et préserve la santé des patients et du personnel médical. C’est un projet qui ouvre la voie à des technologies permettant de guider des éléments magnétiques (nanoparticules) sans risque et qui autorise une miniaturisation importante du dispositif sans perte de fonctionnalités.