PROJETS DE FIN D'ÉTUDES 2012/2013. Conception d un dispositif pour l élastographie par résonance magnétique

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1 PROJETS DE FIN D'ÉTUDES 2012/2013 Conception d un dispositif pour l élastographie par résonance magnétique Structure d'accueil PFE présenté par I.H.U. Strasbourg Laboratoire ICube équipe AVR IRCAD Quentin BOEHLER Spécialité / Promotion Mécatronique / 2013 Tuteur du PFE dans la structure d'accueil Tuteur(s) pédagogique(s) du PFE Pierre RENAUD Pierre RENAUD 1. Contexte du stage 1.1. Projet ERM de l I.H.U. Strasbourg Ce stage s inscrit dans le projet ERM (Elastographie par Résonance Magnétique) financé par l I.H.U. Strasbourg (Institut Hospitalier Universitaire) et s appuie sur la plateforme de l équipe AVR (Automatique Vision et Robotique) du laboratoire ICube à l IRCAD de Strasbourg (Institut de Recherche contre les Cancers de l Appareil Digestif). Le projet de l I.H.U. Strasbourg consiste à développer une méthode d ERM quantitative et biomécanique. L ERM est une technique médicale d imagerie de l élasticité qui permet d accéder aux propriétés biomécaniques de tissus ou organes (i.e leurs caractéristiques élastiques) à l aide d un scanner IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). Elle est actuellement utilisée comme un outil de diagnostic qualitatif pour la détection de tumeur du foie notamment, tumeur qui ne peut être détectée avec les images IRM classiques. L objectif du projet est de mener une étude de faisabilité de l utilisation de la méthode pour la caractérisation biomécanique quantitative de tissus in vivo. Pour cela, il est nécessaire de développer un dispositif dédié à la méthode ERM. PFE / Mécatronique / Quentin BOEHLER - 1/5 -

2 1.2. Objectif du stage L objectif du stage est de concevoir une preuve de concept d un tel dispositif et de la caractériser dans un cadre expérimental. Les essais sur table et dans l IRM seront ainsi effectués en simulant les tissus par des gels tests. Dans le cadre du projet, il est envisagé de concevoir un dispositif mini-invasif qui devra être capable d insérer une aiguille dans les tissus à étudier et d y effectuer localement la méthode ERM. Cette méthode nécessite de générer une onde de cisaillement mécanique à l aide de l aiguille. L objectif est de disposer à terme d un assistant robotique qui permettra de fournir des modèles biomécaniques pour la simulation réaliste de chirurgies. Il pourra aussi constituer un outil supplémentaire en imagerie interventionnelle sous IRM (i.e l utilisation d un IRM pour guider le geste du médecin durant une intervention) en profitant de l apport d informations de l élastographie par rapport à l IRM classique. Cet assistant robotique doit permettre pour cela : - L insertion automatique d une aiguille médicale dans la zone d intérêt, - la génération d une onde mécanique de cisaillement pour l ERM. Nous proposons de développer une preuve de concept d un tel dispositif afin de déterminer si l aiguille insérée peut générer une onde mécanique d une qualité suffisante pour permettre l ERM localement autour de l aiguille. 2. Démarche adoptée 2.1. Fonctionnement attendue Le dispositif conçu fonctionne en deux phases. Une première phase consiste à insérer l aiguille sur une course de 50 mm, avec un effort maximum de 20 N et une vitesse maximum de 250 mm/s. La deuxième phase consiste en une excitation harmonique de l aiguille pour générer une onde mécanique de cisaillement d amplitude 100 µm et de fréquence entre 50 et 150 Hz dans un gel test Contraintes de conception Le dispositif est placé dans l iso-centre d un scanner IRM (directement au centre du tunnel), là où le champ magnétique est le plus intense et le plus sensible aux perturbations. La conception doit donc tenir compte des contraintes d encombrement et de comptabilité propre à l environnement IRM. De ce fait, aucun matériau ferromagnétique ou PFE / Mécatronique / Quentin BOEHLER - 2/5 -

3 susceptible de détériorer l image (comme l aluminium) ne pourra être utilisé. Tout dispositif électronique susceptible de générer un champ magnétique dans la zone imagée devra être isolé dans un caisson faradisé Choix préliminaires Afin d assurer la compatibilité du dispositif et son bon fonctionnement dans l IRM, la structure mécanique du dispositif est réalisée en laiton et en matériau polymère. Vue la bande passante importante nécessaire pour effectuer l excitation de l aiguille, il nous semble judicieux de choisir un actionneur spécifique pour l excitation. Nous choisissons donc de dissocier les deux phases en choisissant un jeu d actionneurs spécifique à chacune d elle. On se tourne vers la technologie piézoélectrique qui, au vu de l état de l art, constitue la technologie la plus compatible et dont la variété des architectures permet d obtenir une large gamme de dynamiques. Leur compacité est également intéressante pour réduire l encombrement global du dispositif Conception et réalisation du dispositif L insertion de l aiguille est assurée par deux moteurs HR4 de Nanomotion montés en vis-à-vis et entraînant en translation un chariot portant l excitateur. L excitation de l aiguille est assurée par un APA-150M de Cedrat. Durant l excitation, la translation du chariot est bloquée par les moteurs HR4 de manière à assurer une bonne propagation de l onde mécanique dans le gel test. Le guidage en translation du chariot est assuré par un guidage à deux colonnes adapté à la compensation d une erreur d entraxe et d orientation entre les deux tiges en laiton. Les Figure 1 et Figure 2 donnent un aperçu du prototype ainsi réalisé. Figure 1 - Vue générale du prototype PFE / Mécatronique / Quentin BOEHLER - 3/5 -

4 Figure 2 - Vue de dessus du prototype 2.5. Intégration dans l IRM La Figure 3 illustre l intégration du dispositif dans l IRM. Le dispositif est commandé depuis un PC de commande à l extérieur de la salle IRM. L armoire de commande contenant les amplificateurs, les modules d entrées/sorties et les alimentations est isolée dans un caisson faradisé pour éviter les interférences avec l IRM. Le fonctionnement du dispositif est synchronisé avec la séquence IRM pour assurer le bon déroulement de la méthode ERM. 3. Résultats expérimentaux Figure 3 - Situation du dispositif dans l'irm 3.1. Compatibilité IRM Le prototype réalisé a été testé dans l IRM afin de vérifier qu il fonctionne dans cet environnement et que sa présence ou son actionnement ne détériore pas la qualité des images acquises. Il s avère que le dispositif est compatible (par de détérioration de la qualité des images) et qu il est fonctionnel dans l environnement IRM Utilisation pour la ERM Le prototype a été utilisé pour effectuer la méthode ERM. L onde générée est de qualité suffisante pour déterminer le module d élasticité du gel en tout point de l image PFE / Mécatronique / Quentin BOEHLER - 4/5 -

5 acquise par la séquence IRM propre à l ERM. Les résultats obtenus sont visibles en Figure 4. L image a) est obtenue avec la séquence IRM dédiée à la méthode ERM. Après un posttraitement, on obtient l image b) sur laquelle on distingue la propagation de l onde dans le gel. Par résolution d un «problème inverse», il est alors possible de calculer le module d élasticité du gel (shear modulus image c)) car la longueur d onde de l onde mécanique dépend de ce module d élasticité. L image c) atteste que le dispositif permet de caractériser le gel test comme nous le souhaitons. a) b) c) 4. Conclusions et perspectives Figure 4 - Résultats expérimentaux pour l'erm 4.1. Conclusions A l issue des tests sous IRM, le dispositif s avère fonctionnel. Notre travail valide donc la possibilité de générer une onde de cisaillement localement avec une aiguille insérée dans la zone d intérêt pour l ERM. Le prototype réalisé est susceptible d être réutilisé pour des expériences complémentaires dans l IRM ou sur table. Une interface utilisateur sur le PC de commande est implémentée afin de permettre une prise en main rapide et aisée du dispositif par un médecin ou un chercheur. Les résultats pour l ERM obtenus avec notre dispositif ont fait l objet d une communication orale d Elodie BRETON aux journées scientifiques de la FMTS (Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg) le 14 juin 2013 et seront également présentés par Jonathan VAPPOU à la 12 ème conférence ITEC (International Tissue Elasticity Conference ) du 1 er au 4 octobre Perspectives Ces résultats prometteurs nous encouragent à envisager la conception d un dispositif plus compact permettant de positionner et d orienter l aiguille dans l IRM afin d intégrer le dispositif à un protocole clinique. Il est également envisageable de n utiliser qu un seul jeu d actionneurs pour les deux phases de fonctionnement. PFE / Mécatronique / Quentin BOEHLER - 5/5 -