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Jun 07, 2023

Dirección de guía magnética en campos magnéticos ultra altos para imágenes médicas

12 de mayo de 2023

Característica del 12 de mayo de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Medical Xpress

Los físicos y los bioingenieros pueden manipular cables guía accionados magnéticamente mediante el uso de dirección magnética remota con alcance para procedimientos médicos mínimamente invasivos. Actualmente, las estrategias de dirección magnética están limitadas por campos magnéticos bajos, lo que impide su integración en sistemas médicos que operan en campos ultraaltos, incluidos los escáneres de imágenes por resonancia magnética (IRM). En un nuevo estudio publicado ahora en Science Advances, Mehmet Tiryaki y un equipo de investigación de los departamentos de inteligencia física, ingeniería biomédica y medicina en Alemania, Suiza y Turquía, desarrollaron un diseño de guía magnética junto con estrategias de dirección en campos ultraaltos.

El trabajo demostró un amplio alcance de investigación, junto con su potencial para la remagnetización in situ. Los resultados ilustraron los principios de dirección de la guía magnética hecha de imanes de neodimio y una varilla de fibra óptica en un escáner de resonancia magnética preclínica. El marco de actuación magnética de campo ultraalto recientemente desarrollado puede facilitar la automatización magnética de próxima generación para que funcione en escáneres de resonancia magnética clínica.

A pesar de una década de desarrollo de métodos para imágenes de resonancia magnética, la tecnología tiene deficiencias en comparación con la fluoroscopia de rayos X. Aunque la naturaleza libre de radiación ionizante de la resonancia magnética junto con su contraste superior de tejidos blandos la convierte en una alternativa más avanzada. Actualmente, el sistema de resonancia magnética está limitado por el área de trabajo del escáner y su resolución más baja, lo que lleva a una serie de nuevas propuestas para mejorar el método.

Por ejemplo, un enfoque de actuación alimentado por resonancia magnética completamente remoto puede integrar un imán permanente de ferromagneto para una dirección tridimensional (3D) intuitiva. Sin embargo, el método requiere acceso a software en tiempo real y potencia adicional para funcionar dentro de un escáner de resonancia magnética. En este trabajo, Tiryaki y sus colegas presentaron una estrategia de dirección de guía magnética de campo ultraalto en el escáner de resonancia magnética y demostraron su capacidad de dirección en fantasmas vasculares 3D fisiológicamente relevantes con flujo arterial, así como durante la exploración de resonancia magnética en el riñón de un modelo animal.

Los imanes permanentes, como los imanes de neodimio, se utilizan comúnmente durante el accionamiento magnético para la transmisión de fuerzas y pares magnéticos elevados con campos magnéticos reducidos. Los imanes permanentes se desarrollan con un vector de magnetización constante alineado con el eje simple del imán en campos magnéticos bajos. Si bien los físicos han estudiado la teoría magnética de los imanes permanentes en campos ultraaltos, aún deben investigar los efectos del concepto durante la actuación magnética automatizada.

Por ejemplo, en campos ultraaltos, los imanes permanentes asumen la forma de imanes blandos. Por lo tanto, el equipo examinó el vector de magnetización y calculó la fuerza y ​​el par magnéticos que actúan sobre los imanes permanentes. Se centraron en los imanes de neodimio a granel y utilizaron un magnetómetro de muestra vibrante para deducir las constantes del material magnético, y estudiaron los efectos de la histéresis magnética para verificar la fuerza de la magnetización.

Tiryaki y sus colegas midieron el campo magnético y el gradiente magnético en el escáner de resonancia magnética para modelar el par y la fuerza magnéticos. Calcularon el ángulo de magnetización y el par que actúan sobre el imán permanente en campos ultraaltos e investigaron el diseño de la construcción flexible que lo acompañaba que formaba el núcleo elástico del cable guía y optimizó la rigidez del cuerpo flexible para accionar magnéticamente los cables guía y maniobrar el accionamiento magnético. sistema.

El equipo utilizó un software de código abierto y desarrolló una simulación dinámica del modelo de barra de Cosserat para imitar la forma del cable guía e incluyó fuerzas elásticas y gravitatorias para comprender su influencia en la fuerza y ​​el par magnéticos de la resonancia magnética. Realizaron simulaciones de flexión para validar los módulos de Young y otros parámetros subyacentes a la dinámica del cable guía para utilizar de manera proactiva los cables guía magnéticos.

Los científicos estudiaron una variedad de sistemas automáticos de activación magnética con altos grados de libertad para lograr la dirección de la guía magnética en campos bajos. En ausencia de altos grados de libertad, las interacciones entre el sistema de activación magnética y los campos ultraaltos provocaron el bloqueo de la dirección del cable guía en el escáner de resonancia magnética. Por lo tanto, el equipo estudió las configuraciones cardinales de la guía para comprender este efecto y colocó los imanes permanentes en paralelo, perpendicular y antiparalelo a la punta de la guía.

Tiryaki y sus colegas exploraron una variedad de modos de dirección con inserción manual de guía en el escáner de resonancia magnética para realizar una variedad de tareas de navegación. El concepto de remagnetización in situ en campos ultraaltos condujo a un diseño de cable guía magnético aún más interesante con doble estabilidad, con dos imanes permanentes en la punta del cable guía para realizar una variedad de experimentos de dirección en un plano bidimensional.

El equipo realizó experimentos de dirección en una arquitectura vascular 3D realista de las arterias renales, el arco aórtico, la arteria carótida común y las arterias cerebrales medias, mientras emulaba el flujo arterial con una bomba de simulación de flujo cardíaco. Los resultados enfatizaron la capacidad de navegar vasos 3D a través de una variedad de situaciones para aplicaciones clínicas.

Además, exploraron la actuación magnética de campo ultraalto durante la resonancia magnética mediante la realización de experimentos de conducción de cables guía en la cavidad renal de un riñón porcino ex vivo, con cables guía en diferentes configuraciones magnéticas para apuntar a varias regiones del órgano. Realizaron una resonancia magnética preclínica para observar los límites de la cavidad renal, seguida de una serie de experimentos de visualización en la cavidad renal, el cáliz inferior y el cáliz superior para examinar la capacidad de conducción del cable guía.

De esta manera, Mehmet Tiryaki y sus colegas introdujeron el concepto de dirección magnética con guías magnéticas en campos ultraaltos. Combinaron la teoría del magnetismo con la mecánica para establecer principios de diseño para mejorar las capacidades de dirección en el escáner de resonancia magnética.

Los físicos determinaron la viabilidad de la dirección de guía magnética durante las imágenes de resonancia magnética a través de una serie de pasos de navegación en 3D. Esperan que el nuevo método de actuación de campo ultraalto impacte en los escenarios clínicos durante la intervención de resonancia magnética para eventualmente facilitar la inteligencia física requerida para las prácticas de intervención clínica automatizada.

Más información: Mehmet Efe Tiryaki et al, Dirección de guía magnética en campos magnéticos ultra altos, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg6438

Martin Francis Phelan et al, Heat-Mitigated Design and Lorentz Force-Based Steering of an MRI-Driven Microcatheter to Minimally Invasive Surgery, Advanced Science (2022). DOI: 10.1002/advs.202105352

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