Modeling and control of magnetic microrobots for therapeutic targeting
Modélisation et commande de microrobots magnétiques pour le traitement ciblé du cancer
Résumé
Cancer is a disease characterized by an uncontrolled cell growth. The number of people with hepatocellular carcinoma (HCC) is growing constantly. The treatments used by doctors until nowadays such as transarterial chemoembolization (TACE) and transarterial Radioembolization (TARE) have limitations because of the side effects caused to healthy tissues. In order to achieve best tumor control with minimal complications on healthy tissues, microrobotics technology can provide solutions to the problem of therapeutic targeting. One solution is to control the direction of the therapeutic carriers (magnetic bolus), composed of magnetic microparticles and anti-cancer agents, inside the blood vessels to the tumor area (target). External magnetic fields are then used to propel, steer and navigate a magnetic bolus fleet through the arterial system. This thesis offers a global methodology to implement in order to make the robotic transarterial locoregional procedures more targeted and localized. First, we have optimized the amount of drug to be injected as magnetic boluses. Then, we have carried out the optimization of the magnetic bolus structure in order to ensure firstly, the optimal navigation inside the vessels and secondly, to offer the possibility of carrying a larger amount of therapeutic agents. The navigation of boluses delivered by the catheter to the target area (tumor) is ensured through the development and implementation of the optimal control law. The validation of the injection and navigation magnetic bolus are performed on a magnetic microrobotic platform.
Le cancer est une maladie caractérisée par la croissance incontrôlée des cellules. Le nombre de personnes atteintes par le carcinome hépatocellulaire (CHC) est en progression croissante. Les traitements utilisés jusqu'à présent par les médecins tels que la chimioembolisation transartérielle (TACE) et la radioembolisation transartérielle (TARE) présentent des limitations à cause des effets secondaires causés sur les tissus sains. En vue d'atteindre un meilleur contrôle tumoral avec le minimum de complications des tissus sains, les approches microrobotiques peuvent apporter des solutions au problème du ciblage thérapeutique. Une solution consiste à contrôler la direction de transporteurs thérapeutiques (bolus magnétiques), composés de microparticules magnétiques et d’agents anti-cancéreux, à l’intérieur des vaisseaux sanguins vers la zone tumorale. Des champs magnétiques extérieurs sont alors utilisés pour propulser, guider et naviguer une flottille de bolus magnétiques au travers du réseau artériel. Cette thèse propose donc une méthodologie globale à mettre en place afin de rendre les procédures locorégionales transartérielles robotisées plus ciblées et plus localisées. Dans un premier temps, nous avons optimisé la quantité de médicament à injecter sous forme de bolus magnétiques. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l'optimisation de la structure du bolus en vue d’assurer d’une part, la navigation optimale à l’intérieur des vaisseaux et d’autre part, d’offrir la possibilité d’embarquer une quantité d’agents thérapeutiques plus importante. La navigation des bolus délivrés par un cathéter vers la zone ciblée (tumeur) est assurée grâce au développement et à l'implémentation d’une loi de commande optimale. La validation de l'injection et de la navigation des bolus magnétiques a été réalisée sur une plateforme magnétique robotisée développée dans le cadre de cette thèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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