Imagerie du cerveau par ultrasons
Les ultrasons pour l'imagerie médicale et la sismologie pour l'imagerie de l'intérieur de la Terre mesurent la propagation des ondes à travers la matière. Par exemple, lorsque les ondes sismiques rencontrent des différences matérielles à l'intérieur de la Terre, par exemple entre différentes formations rocheuses, elles sont réfléchies et réfractées à leurs interfaces. En conséquence, la vitesse des ondes change. Si les chercheurs mesurent ces ondes à la surface, ils peuvent tirer des conclusions sur la structure de l'intérieur de la Terre, ainsi que sur la composition des roches et leurs propriétés matérielles telles que la densité, la pression ou la température.
À gauche : un maillage hexaédrique par éléments finis du crâne et du cerveau. A droite : Un instantané de la simulation ultrasonore résultante. Le disque bleu dans les deux images représente la source d'ultrasons.
Marty, P. et al. Medical Imaging 2022: Physics of Medical Imaging; 120313H (2022) / ETH Zurich / CSCS
Grâce à des algorithmes sophistiqués et à des ordinateurs performants comme le "Piz Daint" du CSCS, des chercheurs comme Andreas Fichtner de l'ETH Zurich, professeur à l'Institut de géophysique et chef du groupe de sismologie et de physique des ondes, peuvent utiliser ces données d'ondes pour caractériser la structure tridimensionnelle de la Terre. Les parallèles entre la propagation des ultrasons et des ondes sismiques, ainsi que le savoir-faire de l'équipe dans le domaine de la physique des ondes - comment les informations transportées par les ondes peuvent être utilisées et converties en images - ont conduit le professeur de l'ETH et son groupe à étudier également la propagation des ondes pour les ultrasons médicaux.
Les chercheurs continuent de collaborer avec les médecins de l'hôpital universitaire de l'Université de Zurich pour développer ces techniques. Si Marty parvient, au cours des trois prochaines années de sa thèse de doctorat, à perfectionner les procédures de maillage et d'imagerie du cerveau, ces mêmes méthodes pourraient être transférables à d'autres parties du corps, comme les genoux ou les coudes. Cela constituerait une base prometteuse pour le développement d'un dispositif à ultrasons correspondant.
Patrick Marty, doctorant dans le groupe de Fichtner, développe actuellement dans sa thèse de doctorat une méthode pour surmonter ce défi avec le soutien de Christian Böhm, scientifique senior dans le groupe de sismologie et de physique des ondes. Selon les scientifiques, cette méthode devrait servir de base à l'imagerie du cerveau par ultrasons à haute résolution.
Pour simuler la propagation des ondes dans le cerveau, les chercheurs développent des algorithmes qui effectuent de nombreux calculs sur une grille spéciale appelée "maillage". Au cœur de ce dispositif se trouve 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, et maintenant aussi pour l'imagerie médicale. Le logiciel utilise la méthode des éléments spectraux (SEM), qui est particulièrement bien adaptée à la simulation de la propagation des ondes dans des milieux présentant des transitions de matériaux très contrastées, comme les tissus mous du cerveau et les os.
"Contrairement à l'échographie classique, qui n'utilise que le temps d'arrivée des ondes, nous utilisons l'ensemble des informations relatives aux ondes dans nos simulations", explique M. Marty. Cela signifie que la forme, la fréquence, la vitesse et l'amplitude de l'onde à chaque point de sa propagation entrent dans les calculs.
Apprendre sur un scanner d'imagerie par résonance magnétique
Pour leur modèle, les chercheurs utilisent d'abord une IRM du cerveau comme référence. Puis, sur le supercalculateur "Piz Daint", ils effectuent des calculs avec différents paramètres jusqu'à ce que l'image simulée corresponde à celle de l'IRM.
Avec cette méthode, ils obtiennent une image quantitative au lieu de l'image en niveaux de gris, moins informative, commune à l'échographie conventionnelle. En utilisant toutes les informations du champ d'ondes complet, les chercheurs peuvent cartographier correctement les propriétés physiques du milieu - la vitesse à laquelle les ondes ultrasonores se propagent dans le tissu, leurs propriétés d'amortissement et la densité du tissu - en tout point du cerveau. Cela permet finalement de déterminer le type de tissu et de distinguer s'il s'agit d'une masse cérébrale ou d'un tissu tumoral, par exemple, puisque la densité, l'atténuation ou la vitesse du son associées aux différents types de tissus sont connues grâce à des expériences en laboratoire.
Les chercheurs sont convaincus que cette méthode peut être utilisée pour distinguer les tissus sains des tissus malades, tout en étant à la fois non invasive et rentable. Concrètement, cette méthode pourrait être alimentée par un ordinateur intégré à un appareil à ultrasons spécialement conçu à cet effet. L'ordinateur effectuerait une série de calculs à partir des signaux ultrasonores enregistrés par les capteurs, et le résultat serait une image en 3D du cerveau examiné. Les chercheurs soulignent toutefois qu'il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir entrer dans la pratique clinique.
La géométrie complexe du crâne, due aux cavités des yeux, du nez, des mâchoires, etc., qui doit être modélisée avec précision dans la simulation sans augmenter considérablement le temps de calcul, constitue un défi particulier. Pour résoudre ce problème, Marty développe des méthodes qui créent des mailles numériques individuelles pour des formes de crâne arbitraires à partir d'hexaèdres (petits éléments à six faces). "Avec ces petits cubes déformés, nous sommes 100 à 1000 fois plus rapides que si nous travaillions avec des tétraèdres", explique M. Böhm. "De plus, le projet bénéficie grandement des nouveaux développements des cartes graphiques, comme celles que nous avons dans 'Piz Daint' et, à l'avenir, dans 'Alps'. Elles sont idéales pour cette méthode".
Ainsi, il y a environ 6 ans, le groupe de recherche a travaillé avec des médecins pour développer avec succès des méthodes à ultrasons pour la détection précoce du cancer du sein. L'équipe étudie maintenant comment le cerveau peut être examiné par ultrasons. Grâce à cette méthode, les chercheurs et les médecins pourraient un jour surveiller les patients victimes d'un accident vasculaire cérébral ou identifier des tumeurs cérébrales, par exemple.
Un examen non invasif et rentable
Par rapport à la tomographie assistée par ordinateur (TAO) ou aux rayons X, les ultrasons présentent un avantage décisif : la procédure est presque totalement inoffensive pour le corps. De plus, elle est beaucoup plus rentable que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), par exemple, et les appareils à ultrasons sont transportables pour être utilisés dans des régions éloignées. Le problème, cependant, est que les ultrasons n'ont jusqu'à présent bien fonctionné que pour les tissus mous. Il est très difficile de faire passer des ondes ultrasonores à travers des structures dures telles que le crâne, car les os réfléchissent et amortissent fortement les ondes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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