Le cœur de métier du groupe développements méthodologiques ultrasonores s’oriente autour de l’imagerie ultrasonore ultrarapide. Développée depuis la fin des années 90, par le biais de collaborations académiques et industrielles poussées, elle ouvre les portes de l’échographie vers de nouvelles méthodes de quantification et vers de nouveaux biomarqueurs d’imagerie pour le diagnostic médical.
Les projets en cours:
Innovations en élastographie pour quantifier la viscosité et l’anisotropie musculaire: projet INNOVAN
L’élastographie par ondes de cisaillement (SWE) ultrasonore (US) est devenue populaire aussi bien en sciences fondamentales qu’en clinique pour mesurer les propriétés mécaniques locales des tissus biologiques de manière non invasive. Cependant, pour les tissus anisotropes et viscoélastiques tels les muscles, l’élastographie SWE souffre de deux inconvénients qui limitent son application. 1) les mesures SWE 2D ne sont pas capables de prendre en compte l’anisotropie (AN) musculaire due aux fibres qui se déplacent dans l’espace 3D, ce qui induit un biais de mesure. 2) Bien que la viscosité est une propriété cruciale pour le muscle, les technologies SWE actuelles ne permettent pas de mesurer la viscosité. Par conséquent, l’objectif du projet INNOVAN est de s’attaquer à ces deux inconvénients, afin d’étendre fortement le potentiel de SWE. L’ambition de ce projet multidisciplinaire est de proposer des innovations en imagerie US afin 1) d’obtenir une meilleure compréhension fondamentale du comportement musculaire et 2) d’effectuer des applications cliniques importantes. À cette fin, nous avons réuni un consortium de grands groupes de recherche en physique, biomécanique, physiologie et médecine.
Vers une planification individualisée de la charge d’entraînement adaptée aux propriétés musculaires pour réduire l’incidence des blessures en sprint: projet FULGUR – Site internet du projet
Pendant les Jeux olympiques, courir vite est la tâche motrice la plus répandue, le 100 m sprint étant l’un des événements les plus attendus. Pourtant, la réalisation de tels sprints de course nécessite à la fois des capacités athlétiques extrêmes et un système musculosquelettique robuste afin de limiter le risque de blessure. Les blessures musculaires des membres inférieurs sont en effet la principale cause d’interruption d’entraînement ou de compétition sur la scène internationale. Dans ce contexte, la France présente la particularité d’être historiquement forte dans les sports axés sur la vitesse et reconnue pour la qualité des travaux de recherche effectués pour la compréhension des performances de sprint. Ce programme de recherche est mené en étroite collaboration avec les fédérations françaises d’athlétisme, de rugby et de sports de glace (bobsleigh). FULGUR rassemble les plus grands experts mondiaux en biomécanique musculaire, recherche sur la force et le conditionnement, l’imagerie clinique, les comportements de santé et l’apprentissage automatique appliqués à la très haute performance sportive afin de poursuivre un triple objectif:
• Evaluer la mécanique du sprint au niveau du centre de masse et des segments d’articulation en vue de quantifier la charge de travail des structures spécifiques à ces échelles dans des conditions réelles; dans cette recherche de nouveaux paramètres d’élastographie en utilisant l’imagerie ultrasonore ultrarapide sont mis au point pour prévenir les blessures musculaires.
• Déterminer le profil musculosquelettique individuel de l’athlète d’élite pour proposer des programmes de renforcement sur mesure afin d’optimiser l’efficacité de la propulsion en course;
• Estimer le niveau de risque de blessure et proposer des contenus de prévention individualisés basés sur une approche multifactorielle.
Quantification de la graisse intramusculaire par imagerie ultrasonore: projet FATUS
Le projet FATUS a pour premier objectif de lever le verrou de la quantification des infiltra graisseux intramusculaires par ultrasons grâce à une méthode innovante de beamforming. Une étape de validation par IRM viendra confirmer l’atteinte de cet objectif par un développement des séquences spécifiques pour la quantification graisseuse. Par la connaissance et la cartographie de ces infiltras, le troisième objectif ambitionne de mieux comprendre le comportement mécanique des muscles en présence de graisse par l’amélioration des techniques d’élastographie ultrasonore. Le quatrième objectif s’oriente autour d’une caractérisation et d’une quantification volumique des muscles. Le dernier objectif vise des applications cliniques pour l’aide au diagnostic de la sarcopénie liée au vieillissement. Ce projet pluridisciplinaire propose donc de partir d’innovations dans le domaine de l’imagerie médicale ultrasonore, pour aller vers une meilleure compréhension fondamentale du comportement 3D du muscle, puis vers des applications cliniques particulièrement importante chez les personnes âgées De nombreuses autres applications cliniques seront envisagées à l’issue du projet. Afin de le mener à bien, nous avons réuni une équipe pluridisciplinaire de chercheurs leaders dans leurs domaines (physique, industriel, biomécanique, médecine).
Quantification des propriétés élastiques non linéaires de tumeurs par élastographie US et IRM: projet QUANTUM
L’objectif de cette étude est de développer un protocole expérimental d’ERM et d’élastographie-US qui quantifie les propriétés mécaniques de tumeurs greffées en sous-cutané chez le petit animal et soumises à une compression uniaxiale. Nous souhaitons ainsi avoir une meilleure connaissance des caractéristiques mécaniques tumorales et évaluer leur lien avec les composantes de pression (pression solide, pression fluide interstitielle), mais aussi leur relation avec les mesures histologiques (quantité de collagène, architecture).
Imagerie acousto-optique: projet AO
En raison de la diffusion multiple de la lumière à l’intérieur des tissus biologiques, l’imagerie médicale optique non invasive profonde est très difficile. L’imagerie acousto-optique est une technique couplant ultrasons et lumière qui permet de récupérer le contraste optique à des profondeurs de quelques centimètres avec une résolution millimétrique. Les progrès récents de l’imagerie acousto-optique utilisent des impulsions ultrasonores focalisées courtes, souvent moyennées sur plusieurs centaines ou milliers d’impulsions. Comme la fréquence de pulsation des sondes commerciales est limitée à environ quelques cycles d’ultrasons toutes les 100 ms, l’acquisition d’une image acousto-optique prend généralement plusieurs dizaines de secondes en raison du nombre élevé d’impulsions acoustiques d’excitation. Nous proposons ici de nouvelles techniques d’imagerie acousto-optique basées sur l’utilisation d’ondes planes ou d’onde structurées ultrasonores au lieu d’ondes focalisées qui permet d’augmenter drastiquement le taux d’imagerie.
Quantification des propriétés Mécaniques, Anisotropes et non-Linéaires du muscle en élastographie UltraSonore: projet MALUS
L’objectif de ce projet est de développer deux méthodes d’élastographie innovantes dans le milieux transverse isotrope pour mieux caractériser les muscles. 1/ une méthode de quantification de la non-linéarité élastique; 2/ une méthode simple de quantification de l’anisotropie sans mouvement de la sonde pour plus de facilité d’utilisation clinique.
Prévenir le dysfonction du diaphragme dans l’unité de soins intensifs grâce à des biomarqueurs innovants: projet ULTRADIAPH
Dans l’unité de soins intensifs (USI), la ventilation mécanique soulage le travail des muscles respiratoires, notamment du diaphragme, le principal muscle de l’inspiration. La ventilation mécanique assure des échanges gazeux adéquats mais peut produire des effets néfastes qui sont associés à une augmentation de la mortalité, de la morbidité et des coûts de santé. Le taux d’occupation des lits de soins intensifs en France est élevé (>80%) et toute stratégie visant à prévenir un séjour prolongé est cruciale et plus que jamais d’actualité dans le contexte de la pandémie de COVID-19. Éviter un effort insuffisant ou excessif du diaphragme est devenu un objectif essentiel dans la prise en charge des patients sous ventilation mécanique. Cette stratégie, appelée ventilation protectrice du diaphragme, ne peut être mise en oeuvre sans outils fiables et facilement accessibles pour évaluer le diaphragme, et plus largement, les muscles inspiratoires et expiratoires accessoires. La surveillance des muscles respiratoires au sein de l’USI est complexe et les méthodes de référence reposant sur la mesure de la pression transdiaphragmatique sont invasives, peu disponibles et nécessitent une forte expertise. Afin de surmonter ces limitations, un nouveau concept d’imagerie ultrarapide, ultraportable et dématérialisée a été récemment développé. Cette approche induit un changement de paradigme en dépassant les limites inhérentes à la miniaturisation du matériel et ouvre de nouveaux horizons pour l’analyse d’image, faisant notamment appel à l’intelligence artificielle. Il s’agit d’une occasion unique d’implémenter des biomarqueurs ultrasonores de qualité supérieure dans un facteur de forme ultraportable. En s’appuyant sur cette plateforme et sur les avancées récentes dans le domaine des ultrasons ultrarapides, ce projet vise à développer une solution ultraportable spécialement conçue pour l’évaluation de la structure et de la fonction des muscles respiratoires. Nous utiliserons ce nouvel outil pour améliorer les connaissances sur la structure et la fonction des muscles respiratoires, avec l’objectif final d’optimiser la prise en charge de ces patients hospitalisé en USI.
Mesure minimaliste et robuste du DIAMètre Artérielle pour uN Dispositif médical porté: projet DIAMAND
La mesure de paramètres physiologiques est essentielle pour le diagnostic d’une pathologie chronique ou le suivi de son évolution en réponse à un traitement. L’évaluation de ces paramètres dans la vie quotidienne est un défi technologique pour la médecine personnalisée. Depuis quelques années, les systèmes portés se multiplient, que ce soit à des visées médicales ou pour le bien être. Ils sont performants en terme d’ergonomie et d’autonomie, mais la robustesse décevante de la mesure reste problématique d’un point de vue médical. L’approche portée par le projet DIAMAND est d’associer à ces différentes modalités une mesure par ultrasons de paramètres physiologiques, et notamment du diamètre de l’artère. L’objectif est de proposer et de tester une architecture et une stratégie d’acquisition minimalistes pour obtenir des mesures de diamètre d’artère par ultrasons avec une grande précision (qqs μm). Cet aspect « minimaliste » permettra de limiter l’encombrement global du dispositif, sa consommation énergétique, et la quantité de données générées, pour pouvoir par la suite intégrer cette mesure dans un dispositif multimodal de mesure de paramètres physiologiques.
Echographie multiparamétrique du diaphragme: projet RESPIMYO
Porté par Damien Bachasson de l’institut de myologie, ce projet en collaboration avec BioMaps, vise à mettre au point des méthodes innovantes et simples pour caractériser le diaphragme dans les conditions compliquées des services de réanimation.
Les projets passés:
Cartographie de perfusion rénale par imagerie ultrarapide ultrasonore pour le diagnostic non invasif de néphropathie chronique: projet PERFUSION
Ce projet a pour but de définir une nouvelle cartographie de la perfusion rénale en utilisant l’imagerie ultrasonore ultra-rapide pour le diagnostic non invasif de la néphropathie chronique. Cette recherche combinera deux techniques échographiques récentes développées par nos soins ces dernières années: l’élastographie et le Doppler ultrasensible, afin de définir une nouvelle cartographie du débit de vascularisation et de la résistivité du rein transplanté.
Non-linéarité élastique en milieu transverse isotrope: projet MUSCLOR
Les développements récents dans le domaine de l’élastographie visent à quantifier de nouvelles propriétés mécaniques des tissus, complémentaires du module de cisaillement représentant les propriétés élastiques linéaires d’un milieu quasi incompressible. Dans ce contexte, la mesure de la non-linéarité élastique des tissus a été récemment proposée sur la base de l’acoustoélasticité. Jusqu’à présent, la plupart des développements théoriques acoustoélastiques ont supposé que les tissus étaient isotropes. Cependant, cette hypothèse forte ne tient pas dans tous les tissus humains, tels que les muscles qui sont généralement considérés comme transversalement isotrope (TI). Dans ce projet, la théorie de l’acoustoélasticité en milieu TI quasi incompressible est développée et mise en œuvre expérimentalement sur fantômes TI et sur des tissus musculaires ex vivo et in vivo. En pratique les évolutions de la vitesse des ondes de cisaillement est évaluée par rapport à la contrainte statique uniaxiale exercée sur le milieu donnant accès au paramètre élastique non linéaire A (qqs centaines de kPa). Ces travaux ouvrent la voie à une caractérisation plus approfondie des propriétés mécaniques musculaires ainsi qu’au développement d’un nouveau biomarqueur potentiel.
Elastographie passive du cerveau par IRM: projet BPALP
L’élastographie est une technique d’imagerie récente (en IRM ou en échographie (US)) qui permet de quantifier les propriétés biomécaniques (BMP) des tissus mous. L’élastographie cérébrale a été largement étudiée récemment et a permis, principalement ex vivo, de mieux comprendre les pathologies tumorales ou dégénératives. Mais cette technique souffre d’inconvénients pour la pratique clinique quotidienne. En ultrasons, en raison de l’os du crâne, il n’est pas possible d’étudier de manière non invasive les BMP cérébrale sans neurochirurgie. En IRM, il est nécessaire de faire vibrer la tête à partir d’un actionneur externe, ce qui rend le diagnostic clinique quotidien difficile. Ainsi, les BMP du cerveau sont mal connues in vivo et sont mal utilisées comme biomarqueur pour le diagnostic du cancer ou la surveillance du traitement par rapport à d’autres organes. Nous proposons de développer une méthode d’IRM originale sans vibrateur externe pour le diagnostic des tumeurs du cancer du cerveau avec une technique innovante issue de l’imagerie ultrasonore, l’élastographie passive. Nous développons des séquences IRM: sur les aimants cliniques, 3T pour la compréhension des BMP et la pratique clinique quotidienne; et précliniques, 7T pour la compréhension fondamentale et le suivi du traitement de chimiothérapie. Ceci est validé en regard par élastographie passive ultrasonore, considérée comme gold standard, en préclinique avec craniotomie et chez l’homme pendant la neurochirurgie.
