Méthodes d’imagerie et de détection mini-invasives basées sur l’imagerie par particules magnétiques et application des circuits électroniques implantables

Contexte académique

En médecine moderne, les circuits électroniques biologiques implantables, mini-invasifs et biocompatibles, sont largement utilisés pour surveiller les processus physiologiques internes à long terme. Cependant, les méthodes pour imager ces dispositifs dans le corps tout en extrayant simultanément les informations des capteurs restent rares et coûteuses. L’imagerie par particules magnétiques (Magnetic Particle Imaging, MPI), grâce à son signal de fond nul, son contraste élevé, sa haute sensibilité et sa capacité d’imagerie quantitative, devient une solution idéale pour ces problèmes. Contrairement aux signaux magnétiques qui ne sont pas absorbés en augmentant la profondeur des tissus, la MPI ne comporte aucune dose de rayonnement, offrant une voie d’imagerie sûre et efficace.

Source de l’article

Cet article, intitulé “Méthodes d’imagerie et de détection mini-invasives basées sur l’imagerie par particules magnétiques et application des circuits électroniques implantables”, a été rédigé par Zhiwei Tay, Han-Joon Kim, John S. Ho et Malini Olivo. Il a été publié en mai 2024 dans la revue IEEE Transactions on Medical Imaging.

Résumé du contenu de la recherche

a) Processus de recherche

Objet de l’étude et modification des dispositifs
L’étude modifie des dispositifs implantables courants en encapsulant des nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques (SPIOs) et en les couplant magnétiquement aux circuits des dispositifs, permettant ainsi leur imagerie en MPI. Ces dispositifs implantés modifiés fournissent non seulement des informations spatiales, mais aussi des informations de capteur en modulant les signaux harmoniques des nanoparticules magnétiques.

Conception des expériences et méthodes de test
L’article propose une technique d’imagerie MPI optimisée, en encapsulant et couplant magnétiquement les SPIOs aux circuits des dispositifs, permettant l’imagerie MPI, et en utilisant un lecteur MPI portatif pour transférer les informations des capteurs. Ces informations sont transmises par le spectre des particules magnétiques, par exemple en modulant les signaux harmoniques en basculant ou en changeant de fréquence les capteurs de résistance/capacité.

Le processus spécifique comprend :

1. Extraction du signal MPI couplé : Extraction du signal des capteurs en modulant l’amplitude d’excitation des nanoparticules SPIO par les capteurs de circuit.
2. Établissement de la théorie de l’imagerie 3D : Utilisation d’un lecteur MPI portatif pour fournir des informations de position et de lecture des capteurs, et reconstruction de la position 3D par les coordonnées et les signaux de capteur.

Algorithmes et méthodes d’analyse des données
Utilisation de la méthode de la matrice système ou de l’espace-x pour enregistrer et reconstruire le signal MPI. Les algorithmes clés incluent l’utilisation des trajectoires de Lissajous pour générer une réponse de magnétisation non linéaire, permettant une imagerie 3D dans le champ de vision.

b) Principaux résultats

1. Couplage et extraction des signaux : En modulant l’intensité du champ magnétique d’entrée transmise par les capteurs de circuit, modulation de l’amplitude des nanoparticules SPIO pour obtenir un signal de capteur à haute sensibilité.

2. Imagerie 3D et reconstruction de la position du signal : La stratégie de correction d’angle proposée permet également de localiser les coordonnées 3D des dispositifs implantés, rendant possible l’imagerie et la fourniture précise de données biomédicales à une profondeur de 7 cm dans des tissus multicouches sous certaines conditions expérimentales.

3. Test d’applications de différents capteurs : En combinant des thermistances NTC et des capteurs de pression en film mince, la faisabilité et la précision de divers capteurs comme les mesures de température et de pression ont été vérifiées (précision de ±0.2°C pour les mesures de température, et de 1-3% pour les mesures de force).

c) Conclusion

Cette recherche a démontré que la technologie MPI, combinée avec des circuits implantables, peut réaliser l’imagerie combinée d’informations spatiales et de données de capteur, ouvrant de nouvelles perspectives pour la médecine biomédicale et diagnostique mini-invasive. Les résultats montrent que l’utilisation de l’absence de signal de fond et du mécanisme de détection efficace de la MPI offre un grand potentiel pour le diagnostic et le traitement, par exemple pour les capteurs mobiles dans le tractus gastro-intestinal ou la surveillance en profondeur après une intervention chirurgicale.

d) Points forts de la recherche

• Découverte importante : La recherche montre comment utiliser la MPI combinée avec des dispositifs électroniques implantables pour obtenir simultanément des informations spatiales et de capteur.
• Originalité de la méthode : Développement d’une nouvelle méthode d’encapsulation des SPIOs dans des circuits et utilisation d’appareils portatifs pour l’imagerie et la transmission de données.
• Large applicabilité : Montré la possibilité d’utiliser l’imagerie MPI pour surveiller des implants mobiles ou détecter les changements dans l’environnement des tissus profonds (comme l’inflammation, les infections, etc.).

e) Autres informations importantes

En raison de ses caractéristiques d’imagerie sans rayonnement, sûre et efficace, la MPI devrait étendre son domaine d’application à l’avenir. Cependant, les limitations actuelles de la recherche indiquent qu’il est nécessaire d’améliorer la profondeur d’imagerie et d’optimiser la conception des circuits pour réduire l’effet thermique du courant des capteurs. Les travaux futurs se concentreront sur ces aspects pour réaliser des applications cliniques plus larges.

Valeur de la recherche

Cette recherche combine les technologies de l’information modernes avec des technologies d’imagerie médicale pour ouvrir la voie à la surveillance précise, non invasive et à distance des paramètres physiologiques. Cette méthode innovante a un potentiel d’application majeur dans plusieurs domaines tels que la surveillance du traitement du cancer, la réhabilitation postopératoire et le diagnostic des maladies chroniques. Avec un développement et une recherche supplémentaires, la technologie basée sur la MPI pourrait devenir une composante majeure des systèmes d’imagerie médicale et de surveillance de prochaine génération.