Innovation en imagerie pour la santé

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L’objectif du thème était de développer et de mettre à disposition des autres chercheurs de l’équipe les solutions les mieux adaptées et les plus performantes pour répondre à leurs problématiques. Les développements méthodologiques devaient s’appuyer sur les équipements de la plate-forme d’imagerie innovante en santé « Imagines » (IRM Homme et petit animal, imagerie optique) et se faire en collaboration avec les autres équipes de ICube. Le bilan est rédigé selon les trois axes méthodologiques : IRM, optique et traitement d’images.


IRM
Les travaux de recherche en IRM sont principalement orientés vers le développement de méthodologie IRM permettant accéder à des informations quantitatives (on parle d’IRMq), principalement celles associés à la structure et composition des tissus, pour des applications en recherche pré-clinique et clinique. L’originalité de notre recherche en IRMq réside dans l’utilisation des techniques d’imagerie rapide t multi-paramétrique, à haut-champs (3T) et à très haut-camps (7T et plus) associées à la modélisation du signal IRM.

Actuellement, sept protocoles de recherche utilisant l’IRMq sont en cours à Strasbourg. Sept autres protocoles IRMq, dont six multicentriques, sont en cours de préparation. La participation à des réseaux nationaux (réseau d’experts CATI et France Life Imaging)et international (COST Action BM1304) permet la divulgation, validation et harmonisation de la méthodologie en IRMq avec d’autres centres et son application dans les protocoles multi-centriques nationales et européens.

En collaboration avec l’Institut de Myologie (Laboratoire RMN), à Paris, nous travaillons sur le développement des nouvelles techniques d’IRMq, pour les études des troubles neuromusculaires. Récemment nous avons proposé une nouvelle approche qui permet une réduction du temps d'examen d'environ 50% par rapport aux méthodes classiques, tout en reposant entièrement sur une séquence d'IRM standard, disponible sur la majorité des IRM cliniques. Ce travail, publié en page de couverture dans le journal NMR in Biomedicine, a reçu deux prix lors de la conférence ISMRM en 2015.

Après l’arrivée de l’IRM 7T « petit animal » (mis en activité en 2014) nous avons démarré un nouveau projet de recherche en IRMq, en collaboration avec la société Bruker BioSpin MRI, Ettlingen, Germany : « La quantification directe de la myéline avec les séquences à temps d’écho ultra-court » (sujet de thèse de L. Soustelle, en cours). La transposition de cette méthodologie sur l’IRM clinique (3T) est un de nos objectifs pour le prochain quinquennat.


Optique
L’utilisation de l’imagerie optique en routine médicale et en chirurgie ouvre de nouvelles perspectives cliniques : chirurgie mini-invasive, télémédecine... Elle offre également de nouveaux facteurs de contraste et peut compléter utilement les méthodes conventionnelles d’imagerie anatomique ou fonctionnelle. Pour être utilisées en clinique, ces méthodes optiques doivent résoudre, ou contourner, les problèmes liés à la très forte diffusion et à la faible pénétration, limitée par cette diffusion et par l’absorption, de la lumière dans les tissus. L’originalité de notre équipe est d’avoir exploité le temps de vol des photons dans les tissus pour mesurer plus d’informations afin d’améliorer la reconstruction des images ou d’extraire les informations pertinentes en évitant cette étape de reconstruction, longue et difficile.

C’est ainsi que nous avons développé plusieurs instruments de spectroscopie et de tomographie proche infrarouge avec des techniques d’illumination pulsée et de détection résolue en temps de vol. Durant ce mandat, l’accent a été mis plus spécialement sur leurs applications précliniques et cliniques, tant en neurologie qu’en cancérologie.

L’analyse des données issues du tomographe optique préclinique a bénéficié de plusieurs avancées portant sur l’exploitation des profils temporels, et non de leurs moments, permettant d’améliorer la qualité des images obtenues tant en lumière diffusée qu’en fluorescence.

La caméra Spirit (Spectroscopie Proche Infra-Rouge par Imagerie Temporelle) a été couplée à un laser continuum équipé d’un filtre optique passe-bande. Le gain en puissance ainsi obtenu permet d’envisager la détection sans contact d’activations cérébrales préfrontales et l’imagerie per-opératoire par fluorescence 3D. Les expériences sur objets tests et les simulations effectuées ont démontré le potentiel de ce dispositif, tant en neurosciences qu’en cancérologie.

Des dispositifs à illumination continue ou modulée à basse fréquence ont également été développés. Plus simples, robustes et moins onéreux, ils facilitent le transfert vers la clinique ou la commercialisation. Ces équipements ont été exploités pour la recherche de cancers et de ganglions sentinelles, par détection d’agents de contraste commercialisé avec des photons d’excitation ou de fluorescence ou par détection de nanoparticules magnéto-optiques.

Un brevet européen « Time Gated Image Intensifier Tube » sur l’intensificateur de la caméra à porte temporelle sub-nanoseconde a été déposé le 18 novembre 2015. (ICube équipes SMH et IMIS).

Il conviendra de noter que l’activité en imagerie optique au sein de l’équipe IMIS s’est progressivement réduite au fil de ce quinquennat, à cause du départ en retraite du responsable du groupe. Les recherches présentées seront poursuivies au sein des équipes IPP et SMH du laboratoire ICube sous les directions respectives de Sylvain Gioux et Wilfried Uhring.


Traitement d’images médicales
Avec l’acquisition de cohortes sur la plateforme Imagines (AlphaLewy, ..), le chercheur fait face à des images de plus en plus volumineuses avec une nouvelle dimension - le temps - et la multi-modalité (multi-séquences). Une analyse visuelle qualitative ne suffit plus pour exploiter au mieux ces données. Nous avons axé nos recherches plus particulièrement sur la détection statistique de changements sur des séquences temporelles d’images (volumétrie, imagerie de diffusion-DTI) et l’analyse des signaux obtenus en IRMf de repos.

Un premier travail a permis une compréhension fine des composants nécessaires à l’estimation de l’atrophie cérébrale. Les images de diffusion (IRMd), permettent d’apporter des informations nouvelles sur les microstructures locales des tissus, par rapport aux modalités d’IRM anatomiques plus classiques. Par contre les IRMd sont des images multivariées (vectorielles, tensorielles). Pour la détection automatique de changements sur des séquences temporelles d’images IRM de diffusion, intra-patients, notre recherche a donc porté sur le développement de nouveaux modèles et tests statistiques. L’étude d’une base de données constituée d’examens longitudinaux de patients atteints de neuromyélite optique a montré qu’il se produisait des changements au sein de la substance blanche d’apparence normale (aucune modification en imagerie morphologique) qui pouvaient être corrélés avec l’évolution des capacités cognitives ou motrices des patients. Ces méthodes de détection de changements en IRMd pourraient ainsi offrir de nouveaux biomarqueurs pour le suivi des pathologies neuro-dégénératives.

En imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) de repos, nous avons travaillé sur l’analyse et l’interprétation au niveau du sujet, qui s’avère nécessaire dans un cadre diagnostique où l’individu prime. L’Analyse en Composantes Indépendantes (ACI) permet de décomposer les volumes cérébraux, acquis lors de l’expérience IRMf, en cartes d’activation et décours temporels associés. Une chaîne de traitement automatisé a été développé pour la pré-sélection des réseaux de repos chez un sujet, avec pour contrainte une sensibilité de 100 % dans la détection des réseaux cérébraux spontanés [4-STRA15]. Enfin nous sommes en train de développer des méthodes basées sur des modèles de Markov cachés (MMC) et plus largement celui des réseaux bayésiens dynamiques pour l’analyse de la dynamique de la connectivité fonctionnelle (DCF), c’est-à-dire l’étude des modes d’interaction de ces réseaux dans l’espace et dans le temps. L’application retenue vise à détecter et à caractériser le cas échéant le changement de la DCF avant et après prise de médicament, ainsi qu’avant et après prise d’un placebo chez un sujet unique. Un autre travail a concerné l’indexation de spectres de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) de type HSQC et d’Images de Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf).

L’ensemble de ces travaux ont été réalisé en collaboration (co-direction de thèse) avec l’équipe MIV.