Une machine portable pour imager le cerveau des bébés prématurés

Une équipe de University College London (UCL) développe un scanner portable révolutionnaire destiné à fournir des images en trois dimensions du cerveau de nouveaux nés prématurés. Ces enfants présentent un risque élevé d’hémorragie cérébrale et ils peuvent, de même que les enfants nés à terme, souffrir d’insuffisances du débit sanguin ou en oxygène (ischémie hypoxique) entraînant des désordres neurologiques sévères. Actuellement, il existe deux méthodes pour imager le cerveau des nouveaux nés :

 l’IRM (imagerie par résonance magnétique) donne des indications sur le fonctionnement du cerveau. Toutefois, elle nécessite que les bébés soient placés sous sédatifs et transportés jusqu’à la machine ;
 l’échographie peut être réalisée au chevet du patient et révèle l’anatomie du cerveau. Mais cette technique ne renseigne pas sur le fonctionnement dynamique du cerveau, par exemple en terme d’oxygénation.

Les chercheurs de UCL ont donc choisi d’utiliser une autre technique, la tomographie optique, pour construire un appareil portable capable de produire des images en trois dimensions du fonctionnement du cerveau des nouveaux nés. Cette technique repose sur l’idée que de la lumière, en petite quantité, peut traverser des parties du corps et en ressortir en apportant des informations sur les tissus qu’elle a traversés. Cette technique est sans danger car, pour de nombreuses longueurs d’onde, la lumière n’est pas ionisante et s’avère également bien tolérée à forte dose. Les patients peuvent donc être examinés de façon répétée ou même de façon continue. De plus, pour des longueurs d’ondes situées dans l’infrarouge ou le proche infrarouge (NIR pour Near Infra-Red), la lumière traverse relativement aisément des structures comme le crâne, le cerveau, le sein. L’imagerie par tomographie optique consiste alors à acquérir des cartes spatiales des propriétés optiques de l’organe étudié. Si la diffusion constitue le mécanisme d’interaction principal de la lumière NIR avec les tissus, les informations physiologiques importantes sont largement dérivées de l’absorption des photons utilisés. Le comportement de ces derniers renseigne les médecins sur les anormalités des tissus traversés, par exemple sur la présence d’une tumeur dans le cas du sein ou du cerveau.

Schéma de principe du système d’imagerie à 32 canaux - Source : UCL

Le fonctionnement de l’appareil MONSTIR (pour Multi-Channel Opto-electronic Near-infrared System for Time-Resolved Image Reconstrution) développé à UCL repose sur le rôle joué par l’hémoglobine. En effet, pour les tissus, l’eau (qui génère un bruit de fond constant) et l’hémoglobine (le convoyeur d’oxygène vers les globules rouges) constituent les deux absorbeurs principaux du rayonnement NIR. L’hémoglobine est un agent de contraste naturel qui permet d’estimer l’oxygénation des tissus en mesurant l’absorption de la lumière pour deux longueurs d’onde distinctes. Idéalement, ces deux longueurs d’onde sont situées de part et d’autre de 800 nm (en l’occurrence 780 et 815 nm), valeur pour laquelle les spectres d’absorption de l’hémoglobine oxygénée et de l’hémoglobine désoxygénée intersectent. Des variations de myélinisation des cellules nerveuses du cerveau peuvent également se manifester sous forme de différences dans la diffusion de la lumière.

Mais la lumière est très fortement diffusée lorsqu’elle traverse des tissus humains : le faisceau incident ne pénètre que quelques millimètres de matière avant que tous les photons soient diffusés plusieurs fois. Générer des images à partir des informations fournies par ces photons constitue donc un défi important et plusieurs techniques ont été explorées par différents groupes de recherche.

MONSTIR est un instrument résolu dans le temps c’est-à-dire qu’il enregistre la réponse temporelle à une impulsion laser ultracourte (ici une picoseconde) : il mesure le temps de vol de photons transmis entre deux points de la surface du crâne des petits patients grâce à 32 détecteurs parallèles résolus dans le temps. Un laser produit un faisceau composé d’impulsions picosecondes de haute énergie à deux longueurs d’onde. Ce faisceau transite ensuite par un séparateur de faisceau puis traverse pour partie un filtre utilisé pour atténuer la lumière au niveau désiré. Les impulsions de ce faisceau passent ensuite à travers un obturateur contrôlé électroniquement et sont aiguillées vers une matrice de 32 fibres optiques. Ces 32 fibres sources sont en contact avec la surface de l’objet (ici le crâne du nouveau né) et sont illuminées séquentiellement. En traversant les tissus du crâne et du cerveau, les photons subissent des diffusions multiples et sont dispersés dans le temps. Les photons quittant la surface sont recueillis simultanément par 32 faisceaux de fibre placés sur la surface du crâne. La source d’illumination du cerveau est ainsi déplacée de façon discrète sur le crâne en aiguillant séquentiellement la lumière dans une des 32 fibres sources tandis que 32 faisceaux de fibre collectent de façon continue la lumière sortant des tissus. Ces faisceaux de fibre relaient ensuite la lumière vers 32 systèmes ultrarapides de comptage de photons. Le signal lumineux est ensuite converti en impulsions électroniques analogiques, elles-mêmes converties en impulsions logiques.

MONSTIR en utilisation à l’hôpital - source : UCL

En parallèle, des impulsions laser de référence obtenues au niveau du séparateur de faisceau sont utilisées pour illuminer une photodiode rapide. Les impulsions électriques résultantes sont ensuite converties en impulsions logiques. Les impulsions de référence et celles issues du signal recueilli sont utilisées pour mesurer le temps d’arrivée relatif de chaque photon. Les histogrammes de temps de vol des photons ainsi obtenus peuvent être interprétés comme la réponse du tissu pour une combinaison source/détecteur donnée. L’ensemble des histogrammes représente les données brutes de l’image qui sont transférées vers une station de travail. Des algorithmes extrêmement sophistiqués sont alors nécessaires pour reconstruire les images 3D du cerveau. Ces algorithmes ont été développés au sein du département d’informatique de UCL sous la forme de l’ensemble de logiciels TOAST (pour Time-resolved Optical Absorption and Scattering Tomography).

La construction de MONSTIR a débuté en 1996 et les premières images furent acquises sur des fantômes en 1999. Le prototype du scanner a été financé par le conseil de recherche EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) et le Wellcome Trust. Suite aux études de validation sur fantôme, les travaux des chercheurs britanniques se sont concentrés sur trois applications cliniques principales : l’imagerie du cerveau des nouveaux nés, l’imagerie du sein de la femme adulte et l’imagerie du muscle.

La construction du système a été achevée en mai 2001 et MONSTIR a été transporté pour la première fois en octobre 2001 au sein de l’unité de soins intensifs néonataux de l’hôpital universitaire de UCL (UCLH). L’appareil permet d’y étudier divers aspects du fonctionnement du cerveau des nouveaux nés : les hémorragies intraventriculaires, les variations de volume sanguin et d’oxygénation ou encore l’imagerie totale du cerveau pour la réponse évoquée.

Vues transverse, coronale et sagittale de l’absorption à 780 nm du cerveau d’un enfant montrant une hémorragie intraventriculaire - source : UCL

Mais les dimensions de MONSTIR sont impressionnantes puisque l’appareil regroupe d’une part un rack haut de 1,8 mètre et profond de 0,9 mètre (l’instrument lui-même) et d’autre part un rack plus petit abritant le laser à fibre, l’unité de refroidissement du tube photomultiplicateur et les alimentations électriques. L’acquisition d’une image nécessite actuellement environ huit minutes. L’objectif des chercheurs de UCL est maintenant de produire un appareil deux fois plus petit, cinq fois plus rapide, plus précis et plus adapté à l’utilisation clinique. Des essais d’imagerie du sein seront également menés dans le cas de la prévention et du traitement du cancer. Le projet de recherche « Optical Tomography of the Neonatal Brain » en cours fait l’objet d’un financement de l’EPSRC à hauteur de 326 000 livres (environ 474 000 euros) sur trois ans. L’association caritative Cancer Research UK finance quant à lui la recherche sur l’imagerie du sein.

Sources : EPSRC, 19/12/05 ; Biomedical Optics Research Laboratory, UCL ; A 32-channel time-resolved instrument for medical optical tomography, Review of Scientific Instruments 71(1), 256-265

Auteur : D^r Anne Prost