Preuve de concept in vitro de la navigation par résonance magnétique en conditions physiologiquement réalistes

Abstract

This research aims to demonstrate the feasibility of magnetic resonance navigation (MRN) as a treatment for unresectable, malignant liver tumors. This method consists in steering magnetic drug-eluting microbeads in hepatic arteries towards diseased liver lobes using an unmodified magnetic resonance imaging (MRI) scanner, with regards to physiological, anatomical and technological limitations. To reproduce a physiological flow during the MRN experiment, the arterial flow was measured using phase contrast MRI on seven porcine models. In addition, to evaluate the feasibility of creating in vivo flow conditions that are suitable for MRN, a balloon catheter positioned in the proper hepatic artery was used simultaneously with a 0.5 mL/s saline infusion to reduce mean flow velocity and systolic-diastolic variation. In parallel, to characterize the arterial flow profile as a function of embolization level for treatment planning, a quantitative digitally subtracted angiography (qDSA) program was developed and used to measure arterial flow rate in individual vessel segments of a realistic porcine hepatic arterial phantom under fluoroscopy with injection of contrast agent at 0.25 mL/s. Then, a proof-of-concept in vitro MRN experiment was performed under flow rate conditions similar to those measured in vivo to demonstrate the feasibility of using a 20 mT/m gradient sequence in an unmodified MRI scanner to selectively steer aggregates composed of 20 magnetic microbeads in a one-bifurcation hepatic arterial phantom. Phase contrast imaging on pigs revealed that using a balloon catheter decreases the mean hepatic arterial flow velocity from 20.5 ± 15.3 cm/s to 8.4 ± 5.0 cm/s (uncertainty representing the standard deviation) as well as the systolic-diastolic variation from 24 ± 14 cm/s to 4.9 ± 2.3 cm/s, which is compatible with MRN. The qDSA program provided a flow estimate in individual segments with a root-mean-square error of 34%, but further development is needed to allow the characterization of the arterial flow profile as a function of embolization level. For the MRN experiment, the steering efficiency obtained was 100%. This research shows that the use of a balloon catheter reduces arterial hepatic flow velocity and variation and that qDSA is a promising flow measurement method in the context of transarterial chemoembolization. In addition, this research shows that MRN is possible under realistic physiological and anatomical settings, with reduced flow and with an unmodified MRI scanner.

Cette recherche vise à démontrer la faisabilité de la navigation par résonance magnétique (NRM) en tant que traitement pour les tumeurs hépatiques malignes non résectables. Cette méthode consiste à diriger des microbilles magnétiques à élution médicamenteuse dans les artères hépatiques vers les lobes hépatiques affectés en utilisant un appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM) non modifié, en considération des limitations physiologiques, anatomiques et technologiques. Afin de reproduire un écoulement artériel physiologique durant les expériences de NRM, le débit et la vitesse artériels ont été mesurés par IRM en contraste de phase sur sept modèles porcins. De plus, afin d'évaluer la faisabilité de créer in vivo des conditions d'écoulement propices à la NRM, un cathéter ballon positionné dans l'artère hépatique propre a été utilisé simultanément avec l'injection de salin à 0.5 mL/s pour réduire la vélocité moyenne et la variation systolique-diastolique. En parallèle, dans le but de caractériser l'évolution du profil d'écoulement artériel selon le niveau d'embolisation pour la planification de traitement, un programme d'angiographie en soustraction digitale quantitative (ASDq) a été développé et utilisé pour mesurer le débit artériel dans les segments de vaisseaux individuels d'un fantôme hépatique artériel porcin sous fluoroscopie avec injection d'agent de contraste à 0.25 mL/s. Ensuite, une preuve de concept de la NRM a été effectuée in vitro sous des conditions d'écoulement similaires à celles mesurées in vivo pour démontrer la faisabilité d'utiliser une séquence de gradient de 20 mT/m dans un appareil d'IRM non modifié pour diriger des agrégats de 20 microbilles sélectivement dans un fantôme artériel hépatique à une bifurcation. L'imagerie en contraste de phase sur modèles porcins a révélé que l'usage d'un cathéter ballon diminue la vélocité artérielle hépatique moyenne de 20.5 ± 15.3 cm/s à 8.4 ± 5.0 cm/s (incertitude représentant l'écart-type) ainsi que la variation systolique-diastolique de 24 ± 14 cm/s à 4.9 ± 2.3 cm/s, ce qui est compatible avec la NRM. Le programme d'ASDq a permi d'obtenir une estimation des débits dans les segments individuels avec une erreur quadratique moyenne de 34%, mais requiert davantage de développement pour permettre la caractérisation de l'évolution du profil d'écoulement artériel selon le niveau d'embolisation. Pour les expériences de NRM, l'efficacité de navigation obtenue est de 100%. Cette recherche démontre que l'utilisation d'un cathéter ballon réduit la vélocité artérielle hépatique et la variation systolique-diastolique et que l'ASDq est une méthode de mesure de débit prometteuse dans le contexte de la chimioembolisation transartérielle. De plus, cette recherche démontre que la NRM est possible sous des conditions physiologiques et anatomiques réalistes, en conditions de d'écoulement réduit et avec un appareil d'IRM non modifié.