Imagerie quantitative multi-paramétrique

Axe dirigé par Emeline Ribot

Imagerie Quantitative Multi-Paramétrique /
Quantitative Multi-Parametric MRI

Dans cet axe, nous nous attelons à rendre l’imagerie plus informative, moins subjective, plus rapide, plus fiable, applicable à tous les organes.

En effet, aujourd’hui, les images standards sont principalement basées sur le contraste de la structure ou de la pathologie vis-à-vis de son environnement. Cependant, suivant les paramètres, les séquences IRM utilisées, la modalité d’imagerie, le positionnement de la sonde ultrasonore, ce contraste peut s’avérer faible, peu informatif voire absent suivant l’observateur. Il apparaît donc essentiel d’obtenir des informations qui ne sont pas subjectives et qui ne nécessitent donc pas plusieurs interprétations, coûteuses en temps et en personnel. D’où l’intérêt de l’imagerie quantitative, qui permet de mesurer des propriétés biologiques ou des paramètres physiques, permettant la distinction fiable de pathologies ou de modifications structurales, ainsi que l’établissement de diagnostics et pronostics précis grâce aux métriques recueillies au cours du suivi longitudinal.

De plus, que ce soit en clinique ou en recherche préclinique, il est maintenant convenu que pour caractériser au mieux une pathologie ou un modèle animal, il est nécessaire d’obtenir une multitude d’informations diverses (renseignant sur l’anatomie, l’état fonctionnel, la présence ou non d’indicateurs biologiques spécifiques, etc..) et ainsi définir un traitement adapté, spécifique et personnalisé. D’où l’intérêt de l’imagerie quantitative, qui permet de mesurer des propriétés biologiques ou des paramètres physiques, permettant la distinction fiable de pathologies ou de modifications structurales, ainsi que l’établissement de diagnostics et pronostics précis grâce aux métriques recueillies au cours du suivi longitudinal. L’imagerie multi-paramétrique devient donc un outil indispensable.

Pour répondre à tous ces verrous, deux techniques sont développées et optimisées :

En IRM :

L’objectif majeur est le développement de séquences IRM permettant d’obtenir de multiples informations quantitatives non-subjectives sur des tissus ou des lésions. Ces informations doivent être obtenues avec de fortes résolutions spatiales dans les 3 directions de l’espace pour détecter de petites structures ou évaluer l’hétérogénéité d’une lésion. Au vu des risques liés à l’injection d’agents de contraste, des alternatives sont développées comme la quantification d’agents de contraste endogènes tels que les temps de relaxation T1 et T2, ou la tractographie de fibres (DTI, STI).

Notre but est de développer des méthodes robustes, en 3D et suffisamment flexibles pour être utilisées sur différents organes (immobiles ou mobiles), quelque soit le champ magnétique, avec des résolutions spatiales élevées (voir ci-dessous), et applicables au petit-animal et à l’homme.

Il en découle des problèmes comme la sensibilité aux mouvements physiologiques (respiratoires, cardiaques, péristaltisme) et la justesse des mesures.

Cependant, l’originalité des développements envisagés repose sur l’utilisation de techniques d’encodages exotiques (radial, spiral, hybride, à TE ultra-courts, …). Ces méthodes possèdent de nombreux avantages comme la possibilité d’obtenir des informations sur le mouvement du patient/animal sans ajout de capteurs externes ou d’augmenter le signal de zones encore aveugles en IRM standard.

Il apparait évident que le problème inhérent issu de ces acquisitions multi-paramétriques est la durée d’acquisition. Les encodages cités précédemment offrent la possibilité de fortement sous-échantillonner les données acquises. En parallèle, nous poursuivons nos travaux sur les méthodes d’accélération de l’acquisition des images, comme le Compressed Sensing et implémentons des méthodes de reconstruction avancées (« Subspace », « Model-Based ») en collaboration avec Dr Denis de Senneville (Institut de Mathématiques de Bordeaux).

Tous ces développements méthodologiques ne sont pertinents que s’ils sont accompagnés de méthodes de reconstruction d’image rapides. C’est pour cela que l’aide et le support de l’axe « Real-Time Imaging » est essentiel, notamment dans l’utilisation du logiciel Gadgetron largement développé et optimisé par ce dernier axe.

Ces développements sont implémentés sur un système d’imagerie clinique dédié à la Neuro-Imagerie (3T) pour l’imagerie de cohortes (collaboration avec le GIN, IMN à Bordeaux), sur des systèmes standards précliniques (4,7T, 7T) pour étudier des modèles oncologiques sur le petit animal et sur un système à 9,4T dernière génération à grande ouverture (30 cm) pour l’étude des arythmies cardiaques (collaboration avec le CRMBM de Marseille).

En Ultra-sons :

Le projet de recherche porte sur la caractérisation non invasive des tissus cardiaques et vasculaires (rigidité locale des parois, orientation des fibres et niveau de fibrose) à l’aide d’une technique non invasive et relativement peu coûteuse, les ultra-sons. Il n’existe actuellement aucune technique permettant l’évaluation sensible de ces propriétés en routine clinique.

La mesure de ces propriétés à un stade précoce de l’évolution de la maladie semble cruciale, car la fibrose entraîne un dysfonctionnement électrique et mécanique, une désorganisation des fibres cardiaques et une augmentation de la rigidité des tissus, affectant à la fois les fonctions diastoliques et systoliques. En outre, la fibrose myocardique est associée à une aggravation du pronostic dans de nombreuses pathologies.

Grâce à la subvention ATIP-AVENIR, l’équipe se concentrera sur le développement et la validation de nouvelles méthodes capables de caractériser la rigidité et l’orientation du tissu cardiaque en utilisant la propagation d’ondes mécaniques naturelles se produisant dans le ventricule gauche du cœur. Avec les progrès des échographes 3D à haute fréquence, l’étude de la propagation des ondes mécaniques naturelles pour la détection des maladies cardiovasculaires est devenue un domaine de recherche majeur dans le monde entier. Cependant, seule la vitesse des différentes ondes mécaniques se produisant naturellement dans le myocarde a été étudiée. Nous proposons de développer une nouvelle méthode d’imagerie par ultrasons capable de quantifier à la fois l’élasticité des tissus et l’orientation des fibres tissulaires en utilisant l’imagerie par ultrasons 3D à haute fréquence et la propagation des ondes mécaniques naturellement produites par le cœur. La technique proposée sera tout d’abord évaluée par simulation puis expérimentalement. Plusieurs fantômes imitant les tissus avec des variations locales de rigidité et d’orientation seront fabriqués et utilisés pour la validation expérimentale. La faisabilité de la reconstruction de la trajectoire de l’onde mécanique en 3D sera ensuite évaluée dans le cadre d’études cliniques préliminaires. Cette nouvelle technique apportera de nouvelles connaissances in vivo sur les processus physio-pathologiques cardiaques liés aux tissus. Le développement de la technologie des ultrasons fournira en outre une méthode accessible, rentable et en temps réel qui sera bien adaptée au dépistage et au suivi thérapeutique des patients.