Une vue sismique du cerveau

Une nouvelle étude publiée dans la revue Médecine numérique en mars 2020 rapporte un prototype ou une étude pilote qui pourrait faciliter le développement d'une technologie d'imagerie beaucoup plus précise pour le cerveau humain, bien supérieure à toute technologie existante telle que la tomodensitométrie, l'IRM et la TEP.

L'application la plus évidente de cette nouvelle technique est chez les patients qui peuvent avoir subi un accident vasculaire cérébral ou une autre lésion cérébrale. L'AVC est la deuxième cause de décès et la principale cause du déficit neurologique chez l'adulte. En cas d'accident vasculaire cérébral, il est essentiel de pouvoir imager la pièce rapidement et avec une grande fidélité chez n'importe quel patient. Étant donné que le résultat s'aggrave avec chaque minute de retard, la capacité d'imager le cerveau et d'initier un traitement au premier point de contact avec le patient affecterait de manière très significative à la fois la survie et le pronostic final de la survie fonctionnelle. La même chose s'applique à presque toutes les formes de lésions cérébrales.

Techniques antérieures

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est la technique de choix pour obtenir des images haute résolution du cerveau. Il peut aider à évaluer une multitude de troubles cérébraux, notamment les accidents vasculaires cérébraux, le cancer du cerveau et les lésions cérébrales traumatiques.

Le problème de l'IRM, aussi précis soit-il, est qu'il ne peut pas être utilisé si le patient a un implant métallique ou un corps étranger. Il est également impossible avec des patients gravement claustrophobes, très obèses ou peu coopératifs pour quelque raison que ce soit. La tomodensitométrie aux rayons X (CT) est la deuxième meilleure option, mais expose le patient aux rayonnements ionisants. Ces deux modalités nécessitent de gros équipements, qui sont chers, ne peuvent pas être amenés au chevet d'un patient malade, et sont donc difficiles à utiliser chez les patients présentant des conditions d'urgence impliquant une altération de la conscience, comme un AVC suspecté.

Le co-chercheur Parashkev Nachev dit: «Les aspects pratiques de l'IRM limiteront toujours son applicabilité, en particulier dans le contexte aigu, où l'intervention en temps opportun a le plus grand impact. La neurologie attend depuis des décennies une nouvelle modalité d'imagerie universellement applicable: la forme d'onde pleine l'inversion pourrait bien être la réponse. « 

S'il est prouvé que le dispositif actuel produit des images précises dans les essais cliniques, l'imagerie et le diagnostic d'urgence de ces patients deviendront beaucoup plus simples. De plus, le nouvel outil d'imagerie peut aider à surveiller en continu les patients très malades.

Comment le casque prototype pourrait représenter le cerveau. Crédit d'image: Imperial College London

Imagerie sismique dans les troubles cérébraux

Les scientifiques de la Terre utilisent des données sismiques ainsi que des techniques d'inversion de forme d'onde complète (FWI), qui fournissent une image de l'intérieur de la Terre. Cela consiste à fournir des données sismiques provenant de détecteurs de tremblement de terre ou de sismomètres aux algorithmes FWI qui, à leur tour, représentent des images 3D de la croûte terrestre, qui peuvent être utilisées pour prédire les tremblements de terre et pour détecter les réservoirs de pétrole ou de gaz au plus profond de la croûte.

La nouvelle étude exploite cette capacité pour réaliser l'imagerie médicale en utilisant des ondes sonores pour générer une image haute résolution du cerveau. L'outil dépend des ondes sonores, la technologie déjà utilisée en échographie. Cependant, l'échographie ne peut pas pénétrer l'os ainsi que les aberrations réfractives causées par le contraste entre le crâne et le cerveau. Le nouveau dispositif d'imagerie peut surmonter cette barrière.

Ceci est désormais disponible, grâce à la nouvelle technologie. Selon l'auteur de l'étude Lluis Guasch, « Une technique d'imagerie qui a déjà révolutionné un domaine – l'imagerie sismique – a maintenant le potentiel d'en révolutionner un autre – l'imagerie cérébrale. »

D'autres experts interviennent, comme Bryan Williams, qui dirige le NIHR UCL Hospitals Biomedical Research Center, « Ceci est un développement extraordinaire qui a un énorme potentiel pour fournir une imagerie cérébrale accessible pour évaluer le cerveau dans les traumatismes crâniens, les accidents vasculaires cérébraux et diverses maladies cérébrales. C'est aussi une illustration fabuleuse de la façon dont la collaboration entre les ingénieurs et les cliniciens, en utilisant des méthodes d'un autre domaine scientifique, peut apporter une innovation révolutionnaire dans les soins médicaux. « 

Le casque d'imagerie acoustique

L'appareil est un casque bordé de rangées de transducteurs sonores qui génèrent de l'énergie ultrasonique qui est transmise à travers la tête du patient. L'énergie propagée est enregistrée et injectée dans un ordinateur via le casque. Les données sont ensuite traitées à l'aide d'algorithmes FWI pour créer une image en trois dimensions de l'intérieur du crâne.

Le casque prototype. Crédit d'image: Imperial College London

Le prototype a été testé sur un humain sans pathologie cérébrale connue. Les résultats ont montré qu'il produisait un signal enregistré de haute qualité qui pouvait être utilisé pour afficher une image complète de la partie examinée. Les enquêteurs affirment qu'ils sont convaincus que l'énergie diffusée par le cerveau peut être interprétée d'une manière cliniquement utile.

De plus, l'utilisation de la modélisation informatique les aide à obtenir une imagerie de haute qualité à basses fréquences sonores qui sera sans danger pour le cerveau mais capable de pénétrer le crâne. À l'aide de ces techniques de modélisation, ils ont généré des simulations informatiques montrant les détails de divers tissus cérébraux, pour prouver que les ondes sonores peuvent créer une image haute résolution du cerveau.

L'appareil est plus petit, plus rapide, moins cher et plus facile que ceux utilisés dans la plupart des autres techniques d'imagerie, ce qui signifie qu'il peut être utilisé pour l'imagerie portable comme dans les ambulances. L'utilisation de FWI peut empêcher la distorsion due au bruit tout en permettant l'utilisation de basses fréquences.

Implications

Commentant le dispositif, Guasch dit: «C'est la première fois que le FWI est appliqué à la tâche d'imagerie à l'intérieur d'un crâne humain. Le FWI est normalement utilisé en géophysique pour cartographier la structure de la Terre, mais notre équipe collaborative et multidisciplinaire de la Terre les scientifiques, les bio-ingénieurs et les neurologues l'utilisent pour créer une méthode sûre, bon marché et portable de génération d'images échographiques 3D du cerveau humain. « 

Nachev poursuit en expliquant: « Ceci est une illustration vivante de la puissance remarquable du calcul avancé en médecine. La combinaison de l'innovation algorithmique et du calcul intensif pourrait nous permettre de récupérer des images à haute résolution du cerveau à partir d'une physique sûre, relativement simple et bien établie: la transmission des ondes sonores à travers les tissus humains.  » Pour établir leur thèse, les scientifiques doivent maintenant construire un prototype qui fournira des images en direct du cerveau humain normal. Ce sera la première étape du voyage vers un appareil testable à grande échelle à utiliser sur de vrais patients.

L'étude conclut: « La valeur potentielle de l'imagerie FWI est triple. Elle pourrait améliorer les résultats dans les troubles neurologiques aigus en permettant une intervention plus précoce. Deuxièmement, le faible coût, la sécurité élevée, la portabilité et le pouvoir de résolution élevé de la technologie permettent de surveiller le cerveau des patients en permanence au chevet du patient. Et troisièmement, la technologie peut être déployée facilement et en toute sécurité dans un large éventail de situations où la neuroimagerie serait souhaitable mais actuellement indisponible – par exemple, dans les pays en développement aux budgets de santé limités, dans des endroits reculés. , régulièrement lors d'événements de sports de contact, dans le cadre de déploiements militaires ou dans le cadre de secours en cas de catastrophe lorsque l'infrastructure locale est compromise. «