IRM fonctionnelle et interventionnelle

Axe dirigé par Valery Ozenne

Technologies et instrumentations pour l’imagerie fonctionnelle et interventionnelle/ Technology and Instrumentations for functional and interventional imaging

La diversité de contrastes obtenus en IRM offre de nombreuses possibilités pour caractériser de nombreuses propriétés tissulaires (structure et fonction). Néanmoins l’IRM est une modalité qui en clinique fonctionne de manière séquentielle (acquisition, reconstruction d’image, analyse, diagnostic) avec peu d’interaction entre l’opérateur et la machine une fois l’acquisition lancée. Les capacités techniques actuelles offrent la possibilité de développer cette interactivité qui présente un intérêt majeur pour le suivi en temps réel de procédures thérapeutiques. La maturité d’un point de vue clinique des méthodes d’IRM en temps-réel est très inégale: de nombreux travaux ont été réalisés en imagerie fonctionnelle cérébrale sur l’homme. En thérapie sous IRM, le guidage de procédures percutanées (biopsies, chirurgie mini-invasive) est maintenant établi, mais de nombreuses procédures prometteuses (ablation des tumeurs par HIFU, mesures hémodynamiques, ablations radiofréquence cardiaque) restent cantonnées à des études précliniques ou des études cliniques à faible cohorte, ce qui ralentit son développement et son adoption.

Chaîne de traitement IRM en temps réel qui comprend acquisition, reconstruction d’images, correction de mouvements, analyse et visualisation des données. L’opérateur peut interagir directement ou indirectement avec le dispositif médical.

L’objectif principal de cet axe est le développement de méthodes innovantes d’imagerie et d’instrumentations associées permettant de répondre aux enjeux et défis de l’IRM en temps réel dans le cadre de l’imagerie interventionnelle et fonctionnelle.

Les principaux verrous technologiques à lever sont la résolution temporelle, la résolution et la couverture spatiale des images, le mouvement, la reconstruction des images en temps réel, le développement d’une instrumentation compatible IRM interagissant étroitement avec l’IRM pour exploiter les capacités de guidage temps réel et tridimensionnel.

Plusieurs sous axes thématiques guideront les développements :

• Développement de l’imagerie fonctionnelle du rongeur à haut champ : L’IRMf chez les rongeurs (rats et souris) est un outil extrêmement puissant pour étudier de nombreux modèles de maladie liées au dysfonctionnement cérébral. Toutefois, la technique reste peu robuste et les informations obtenues peu reproductibles d’un site à l’autre ou même intra-site. Le but du projet sera de transposer et d’adapter les techniques d’imagerie rapide interventionnelles sur des systèmes précliniques à haut champs (7T + cryosonde). L’implantation de séquences rapides multi-coupes et les techniques de correction de mouvement seront privilégiés. Elles permettront de générer des données fonctionnelles plus stables et avec un meilleur rapport signal-sur-bruit que les méthodes actuelles. Le traitement des données sera réalisé en collaboration avec l’équipe du GIN de l’IMN. Les méthodes développées seront ensuite transférées pour les projets de l’équipe 2 de l’Unité et les équipes de Neurosciences avec qui nous développons des collaborations.

• Développement de l’imagerie de température volumique à 1.5T et à 3T: Des séquences d’imagerie rapide multi-coupes et à petit champ de vue seront développées sur les organes mobiles (cœur, foie, reins) et couplées à des algorithmes de correction de mouvement pour pouvoir suivre en temps-réel les variations temporelles de la température. Une autre problématique importante en oncologie concerne le suivi des ablations dans les tissus graisseux et les os qui n’est pas couvert par les méthodes de thermométrie existantes. Des méthodes d’imagerie spécifiques devront donc être développées. La possibilité de cartographier par IRM rapide la propagation des ondes ultrasonores sera également investiguée (technique MR-ARFI).

• Développement de l’imagerie interactive à 1.5T et 3T : L’IRM interactive vise à optimiser en temps réel le schéma d’acquisition et/ou la reconstruction d’image en fonction de la qualité de l’image obtenue à un temps t ou d’informations provenant de capteurs externes (physiologie, capteur d’instruments). Pour atteindre cet objectif, une infrastructure logicielle open-source nommé le Gadgetron sera optimisée, pour répondre à trois critères : a) modulaire : l’environnement est ajustable en fonction des besoins (ordinateur, réseau local, cloud) b) immédiat : les développements réalisés sont visibles instantanément par le chercheur (lors du développement), le praticien (lors des tests de faisabilité) c) portable : un transfert clinique immédiat est possible.

• Développement de dispositifs interventionnels mini-invasifs guidés par IRM : l’objectif est de développer des dispositifs diagnostiques et thérapeutiques intra-cavitaires (cathéters intra cardiaques, sondes vasculaires ou endo-cavitaires, etc.) intégrant des antennes IRM (projet ANR collaboratif initié début 2020 entre l’équipe de B Quesson et le laboratoire IR4M-Saclay). Ces capteurs de petite taille (de l’ordre du centimètre) permettent de réduire le champ de vue utile d’imagerie à quelques centimètres autour du dispositif et d’augmenter significativement le rapport signal sur bruit des images. Les gains en sélectivité spatiale et en sensibilité peuvent donc être mis à profit pour obtenir des images avec une résolution spatiale très améliorée (objectif 200 µm isotrope en 3D) actuellement inatteignable avec la technologie existante (un millimètre au mieux sur le cœur). Ces dispositifs pourront également intégrer de petits capteurs de position permettant de guider leur insertion jusqu’à la cible désirée via une imagerie interactive (repositionnement dynamique des coupes pour suivre la progression du capteur) ou un suivi du positionnement 3D du dispositif par des méthodes IRM (tracking 3D) ou externes (système de triangulation 3D électrique par exemple). Ce projet requiert donc également une adaptation des techniques d’acquisition et de reconstruction IRM (petit champ de vue, repositionnement interactif, cf précédemment). Il sera également nécessaire d’étudier la sécurité des dispositifs, notamment les risques d’échauffement autour de la sonde, provoqués par les courants induits par les séquences d’acquisition dans les parties conductrices du dispositif, ainsi que la compatibilité IRM (absence d’interférence électromagnétique, artefact de susceptibilité minimal). En cardiologie, cette instrumentation aura pour objectif de caractériser le substrat anatomique sous tendant les arythmies dans les oreillettes (2 à 5 millimètres d’épaisseur) pour mieux comprendre les liens entre modification de structure myocardique et les altérations de la propagation de l’influx électrique dans le cœur. Ces images seront comparées à celles obtenues à haut champ magnétique (9.4T, collaboration avec l’axe « IRM Quantitative Multi-Parametrique ») sur cœur fixés de gros animaux (modèles sains et pathologiques) et d’humains. Cette approche exploitant des capteurs mini-invasifs a pour ambition de permettre un transfert des connaissances acquises par l’imagerie à haut champ magnétique et d’adapter les techniques d’imagerie à champ clinique pour mieux diagnostiquer les pathologies cardiaques (première cause de décès dans le monde) à l’aide d’une résolution spatiale similaire. Une fois l’instrumentation développée et validée pour l’imagerie diagnostique, les instruments intègreront des systèmes de délivrance d’énergie (laser, radiofréquence, micro-onde par exemple) pour développer une thérapie ciblée et contrôlée en temps réel par IRM (notamment thermométrie). Les instruments et méthodes d’imagerie seront évalués sur des fantômes puis in vivo sur des modèles de gros animaux (IHU Liryc, IBIO, collab. ICM Paris, IHU Strasbourg), avant d’envisager une valorisation industrielle et clinique. Une attention particulière sera portée à la génération de propriété industrielle et à leur valorisation. Ces développements technologiques seront facilités par la plateforme de prototypage d’instrumentation médicale devant être installée d’ici 2022 sur le site de l’IHU LIRYC.

• Thérapie non invasive par ultrasons focalisés guidés par IRM : Les méthodes d’imagerie de la température et de la propagation des ondes ultrasonores seront exploitées pour développer des approches thérapeutiques innovantes et non invasives à l’aide de dispositifs ultrasonores focalisés extracorporels (collaboration avec les sociétés IGT SA, Vermon et Imasonic). Le contrôle précis de l’énergie déposée via une imagerie IRM quantitative et en temps réel offre la possibilité de raffiner le dépôt d’énergie. En oncologie, une élévation locale et non létale de la température (hyperthermie) ou l’application d’impulsions brèves d’ultrasons sans élévation de température (sonoporation, hystotrypsie) peuvent être exploités pour déposer localement des médicaments (chimiothérapie contrôlée) ou stimuler une réponse immunitaire. En cardiologie, le traitement non invasif par ultrasons focalisés guidés par imagerie des troubles électriques cardiaques représente une évolution majeure pour le domaine médical qui s’appuie actuellement exclusivement sur des approches invasives (cathétérisme) ayant des taux d’échec pouvant atteindre 40%. En neurologie, l’utilisation des ultrasons focalisés représente également une avancée majeure dans le traitement des tremblements essentiels et la maladie de Parkinson, l’ouverture temporaire et contrôlée de la barrière hémato encéphalique.

Nous bénéficierons des plateformes d’imagerie biomédicale de l’UMS 3767 et de l’IHU LIRYC, d’équipements en environnement hospitalier (Hôpital cardiologique du Haut Lévêque-Pessac et Hôpital Pellegrin-Bordeaux) et privé (CAC Bergonié) et des relations privilégiées avec la société Siemens pour l’implantation et la diffusion de nouvelles séquences IRM à champ clinique. La présence d’une spin-off hébergée à l’IHU LIRYC (Société Certis Therapeutics) est également un atout majeur pour le transfert des travaux de recherche de l’équipe vers la clinique (aspects réglementaires et de certification, support technique aux utilisateurs, etc.).

Personnes impliquées :