Examiner le cerveau avec des ondes ultrasonores
Les sismologues reconstruisent la structure de la planète gr?ce aux informations fournies par les ondes sismiques. L'équipe du professeur de l'ETH Andreas Fichtner utilise désormais ces connaissances pour l'imagerie médicale.
Tant l'imagerie médicale par ultrasons que la sismologie pour la représentation de l'intérieur de la Terre utilisent la propagation des ondes à travers la matière. Lorsque les ondes sismiques rencontrent des différences de matériaux à l'intérieur de la Terre, par exemple des assemblages de roches différents, elles sont réfléchies et réfractées à leurs interfaces. En conséquence, la vitesse des ondes change. En mesurant ces ondes à la surface, les chercheurs peuvent tirer des conclusions sur la structure de l'intérieur de la Terre, sur la composition des roches et sur les propriétés des matériaux comme la densité, la pression ou la température.
Enfin, à l'aide d'algorithmes sophistiqués et de supercalculateurs comme "Piz Daint" au CSCS, des chercheurs comme Andreas Fichtner, professeur à l'Institut de géophysique et responsable du groupe de sismologie et de physique des ondes, peuvent utiliser ces données sur les ondes pour caractériser la structure tridimensionnelle de la Terre. Le parallèle entre la propagation des ultrasons et celle des ondes sismiques, ainsi que le savoir-faire de l'équipe dans le domaine de la physique des ondes - comment utiliser les informations que les ondes portent en elles et les traduire en images - ont conduit le professeur de l'ETH et son groupe à utiliser la propagation des ondes également pour les ultrasons médicaux.
"Contrairement aux ultrasons traditionnels, nous utilisons l'ensemble des informations relatives aux ondes dans nos simulations."Patrick Marty
Ainsi, il y a six ans déjà, le groupe de recherche a développé, en collaboration avec des médecins, une méthode par ultrasons pour le dépistage précoce du cancer du sein. Désormais, l'équipe étudie comment le cerveau pourrait être examiné par ultrasons. Gr?ce à ce procédé, les chercheurs et les médecins pourraient un jour surveiller par exemple les patients victimes d'un accident vasculaire cérébral ou identifier les tumeurs cérébrales.
Examen doux et peu co?teux
Par rapport à la tomodensitométrie (CT) ou à la radiographie, les ultrasons présentent un avantage décisif : le procédé est pratiquement inoffensif pour le corps. De plus, elle est beaucoup moins co?teuse que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), par exemple. De plus, les appareils à ultrasons sont transportables et peuvent être utilisés dans des régions éloignées. Le problème est que jusqu'à présent, les ultrasons ne fonctionnent bien que dans les parties molles. Or, il est très difficile d'obtenir des ondes ultrasonores à travers des structures dures comme la bo?te cr?nienne, car l'os du cr?ne réfléchit et atténue fortement les ondes.
Dans le cadre de sa thèse de doctorat chez Fichtner, Patrick Marty développe désormais, avec le soutien de Christian B?hm, Senior Scientist dans le groupe de sismologie et de physique des ondes, une méthode qui devrait permettre de surmonter ce défi. Cette méthode doit fournir la base permettant de visualiser le cerveau en haute résolution à l'aide d'ultrasons.
Pour simuler la propagation des ondes à travers le cerveau, les chercheurs développent des algorithmes ainsi qu'une grille spéciale dont les points de coordonnées doivent être calculés. La pièce ma?tresse est un logiciel appelé Salvus, développé à l'ETH Zurich avec le soutien du CSCS. Salvus modélise la propagation du champ d'ondes complet (full-waveform) sur des échelles spatiales allant de quelques millimètres à des milliers de kilomètres. Les sismologues de l'ETH utilisent ce logiciel pour simuler les ondes sismiques, par exemple pour explorer l'intérieur de la Terre ou de Mars, ainsi que pour l'imagerie médicale. Le progiciel utilise la méthode des éléments spectraux (SEM), particulièrement adaptée à la simulation de la propagation des ondes dans des milieux présentant des transitions de matériaux contrastées.
"Contrairement aux ultrasons traditionnels, qui n'utilisent que le temps d'arrivée des ondes, nous utilisons dans nos simulations l'ensemble des informations relatives aux ondes", explique Patrick Marty. Cela signifie que la forme de l'onde, sa fréquence, sa vitesse et son amplitude en chaque point de sa propagation sont intégrées dans les calculs.
Apprendre sur une tomographie par résonance magnétique
Pour leur modèle, les chercheurs utilisent une image IRM du cerveau comme image de référence. Sur le superordinateur "Piz Daint", ils effectuent ensuite des calculs avec différents paramètres jusqu'à ce que l'image simulée corresponde à celle de l'IRM.
Avec leur méthode, ils obtiennent une image quantitative au lieu d'une image en niveaux de gris, habituelle pour les ultrasons traditionnels, qui ne contient aucune autre information : En utilisant les informations du champ d'ondes complet, les chercheurs peuvent reproduire correctement les propriétés physiques du milieu - la vitesse de propagation des ondes ultrasonores à travers le tissu, leur atténuation, mais aussi la densité du tissu - en chaque point du cerveau. Cela permet finalement de déterminer le tissu et de distinguer s'il s'agit par exemple d'une masse cérébrale ou d'un tissu tumoral. En effet, les expériences en laboratoire permettent de conna?tre la densité, l'atténuation ou la vitesse des ondes sonores des différents types de tissus.
Les chercheurs sont convaincus que cette méthode permettrait de distinguer les tissus sains des tissus malades de manière douce et peu co?teuse. Concrètement, ce procédé pourrait être injecté dans un ordinateur intégré à un appareil à ultrasons spécialement con?u à cet effet. L'ordinateur calcule les signaux ultrasoniques saisis par des capteurs et il en résulte une image tridimensionnelle du cerveau examiné. Mais les chercheurs soulignent qu'il reste encore un long chemin à parcourir avant que ce procédé ne soit utilisé en pratique clinique.
La géométrie complexe du cr?ne, en raison de la présence d'orbites, de fosses nasales, de m?choires, etc., constitue un défi particulier qui doit être modélisé avec précision dans la simulation, sans pour autant faire exploser le temps de calcul. Pour résoudre ce problème, Patrick Marty travaille sur des méthodes permettant de créer des grilles numériques individuelles pour n'importe quelle forme de cr?ne à partir d'hexaèdres (petits éléments à six faces planes). "Avec ces petits cubes déformés, nous sommes 100 à 1000 fois plus rapides que si nous travaillions avec des tétraèdres", explique B?hm. "En outre, le projet profite fortement des nouveaux développements des cartes graphiques, comme celles que nous avons dans 'Piz Daint' et que nous aurons à l'avenir dans 'Alps'. Elles sont idéales pour cette méthode".
Les chercheurs collaborent avec des médecins de l'h?pital universitaire de Zurich pour développer ces techniques. Si Patrick Marty parvient, au cours des trois prochaines années de sa thèse de doctorat, à perfectionner les procédés de maillage et d'imagerie du cerveau, cette méthode pourrait être applicable à d'autres parties du corps, comme le genou ou le coude. Cela constituerait alors une base prometteuse pour le développement d'un appareil à ultrasons correspondant.
Ce texte de Simone Ulmer est paru en anglais sur le site du c?té externeCSCS.
Référence bibliographique
Marty P, Boehm C, Paverd C, Rominger M, & Fichtner A (2022). Modélisation par ultrasons en forme d'onde complète des interactions tissus mous-os à l'aide de mailles hexahédriques conformantes. Imagerie médicale 2022 : c?té externePhysique de l'imagerie médicale, 12031, 877-891.
Marty P, Boehm C, & Fichtner A (2021, December 13). c?té externeInversion en forme d'onde complète des structures géologiques dans le cerveau humain. AGU Fall Meeting, New Orleans, LA.