Electronique, capteurs et actionneurs intégrés compatibles IRM

Opération 28 : Electronique, capteurs et actionneurs intégrés compatibles IRM (INESS, LSIIT, IPB-LINC)

(a)(b)(c)

(a) Circuit intégré d’amplification de signaux ECG acquis en milieu IRM (3,8mm x 2,9mm), (b) Démonstrateur de capteur ECG fonctionnant en milieu IRM. Le circuit intégré présenté en (a) est recouvert d’une résine noire de protection. Les batteries alimentant le circuit sont amagnétiques, (c) Dessin des masques d’un capteur de champ magnétique à effet Hall en technologie CMOS, compatible IRM (250 µm x 70 µm).

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est un formidable outil d’imagerie médicale, beaucoup moins nocif que l’imagerie par rayons X. Cependant, l’environnement IRM, de part la présence d’un fort champ magnétique statique (entre 1,5T et 7T) et de la superposition de séquences de gradients lors des prises d’images, est très contraignant lorsque l’on veut introduire dans la zone d’analyse un dispositif additionnel tel qu’un capteur ou un actionneur. Lorsqu’il contient des éléments ferromagnétiques, l’objet introduit peut devenir dangereux pour le patient en raison de la très forte attraction due au champ statique de l’IRM. Les gradients de champ induisent des courants de Foucault dans les câbles métalliques amenant l’énergie électrique ou transmettant le signal. Ces câbles s’échauffent par effet Joule et peuvent brûler le patient. Les courants électriques permettant le fonctionnement du dispositif (capteur ou actuateur) perturbent localement le champ magnétique et l’image obtenue. Inversement, les gradients de champ nécessaires à l’acquisition des images produisent des signaux électriques perturbateurs par effet inductif. Ces perturbations peuvent aller jusqu’à noyer totalement le signal utile des capteurs. Ainsi, pour fonctionner correctement et ne pas perturber l’image, l’objet introduit doit être le plus petit possible afin de minimiser les effets inductifs. D’autre part, il doit être amagnétique et fonctionner sous faible courant pour minimiser les champs parasites et les courants dans les câbles d’alimentation. Ces spécificités sont réunies en utilisant les technologies de la micro-électronique : le silicium est amagnétique ; de nombreux capteurs et/ou micro-actionneurs sont réalisables par micro-usinage ; les objets produits peuvent avoir des volumes aussi petits que 100µm x 1mm x 1mm ; les systèmes fonctionnent généralement sous faibles courants (quelques centaines de microampères). Enfin, la co-intégration sur la même puce de l’électronique de traitement permet de simplifier la transmission des signaux.

Durant ces sept dernières années, dans le cadre du projet SMARTMRECG financé tout d’abord par le RNTS puis par l’ANR, l’InESS a développé en collaboration avec le laboratoire IADI U947 de Nancy des circuits intégrés de traitement de signaux ECG et des micro-capteurs magnétiques à effet Hall fonctionnant en environnement IRM (figure ci-dessus). Récemment un micro-magnétomètre 3D en technologie CMOS 0,35µm a été mis au point (thèse de Joris Pascal). Le travail se poursuit par un nouveau projet ANR, intitulé XYZ-IRM, au travers de la thèse de Jean-Baptiste Schell (fin prévue en septembre 2012). L’objectif est de munir les instruments chirurgicaux de micro-capteurs magnétiques afin qu’ils soient automatiquement repérables dans le tunnel de l’IRM.

A moyen terme, l’intégration de micro-capteurs mécaniques (force, accélération) est envisagée, tout comme l’étude de micro-actuateurs électromagnétiques tirant profit du champ statique de l’IRM. L’objectif est de fournir des systèmes miniaturisés compatibles IRM, intégrant des capteurs et/ou des actuateurs intégrés, pour les applications d’IRM interventionnelle ou d’IRM fonctionnelle.