Nouvelles méthodes d'imagerie pour le cerveau

Comme la radiographie et le scanner [1], l'imagerie en contraste de phase repose aussi sur la mesure de l'absorption de rayons X par les tissus traversés. Elle permet donc, elle aussi, de bien voir les os. Mais, et c'est une grande innovation, elle mesure également la déviation des rayons X par les tissus, c'est-à-dire la réfraction des rayons (déviés de leur trajectoire), lorsqu'ils traversent un objet [2].

Chaque matériau (chaque tissu) possède un indice d'absorption et un indice de réfraction propre dépendant de l'énergie d'irradiation. Pour les rayons X utilisés en radiologie (10-100 keV), la réfraction générée par les éléments de faible poids atomique, est 100 à 2 000 fois supérieure à l'absorption. L'imagerie en contraste de phase est donc plus sensible pour détecter les faibles variations de densité que l'imagerie X conventionnelle (radiographie, scanner).

Son principe de détection repose sur l'utilisation des synchrotrons et des franges d'interférences. Le synchrotron, sorte de laser à rayon X, est un accélérateur de particules de plusieurs centaines de mètres de circonférence permettant de générer de la lumière sur toutes les longueurs d'ondes (voir la vidéo : Un Synchrotron, c'est quoi ?). Les franges d'interférences collectées grâce à cette source de lumière dite cohérente, sont les mêmes que celles que l'on peut observer sur le fond de la piscine grâce à la lumière du soleil qui lui aussi est une source cohérente. Par l'analyse de ces franges il est ainsi possible de remonter de manière indirecte à la réfraction de la lumière causée par l'échantillon.

Rappels sur le fonctionnement de l'imagerie X classique et présentation du rayonnement synchrotron

On pourra retrouver le fonctionnement de l'imagerie X dans le dossier sur l'imagerie médicale sur le site du CEA [1].

La radiographie Source : Corinne Beurtey/CEA, Dossier sur l'imagerie médicale le site du CEA [1].

Vidéo de présentation de fonctionnement d'un scanner X Source : Corinne Beurtey/CEA, Animation scanner [1].

Le scanner Source : Corinne Beurtey/CEA, Dossier sur l'imagerie médicale le site du CEA [1].

Découvrir le fonctionnement du synchrotron dans la vidéo « Un Synchrotron, c'est quoi ? » Un Synchrotron, c'est quoi ? Source : Esrf Synchrotron, Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron, [3].

Au cours des trois dernières décennies, l'imagerie en contraste de phase a été proposée pour surmonter les limites de l'imagerie conventionnelle basée sur la seule absorption : la technique du contraste de phase permet en effet d'améliorer le contraste et la qualité des images pour des objets absorbants très peu les rayons X, comme le cerveau.

L'imagerie en contraste de phase fournit des images tridimensionnelles sur le cerveau d'une résolution et d'un contraste proches de l'histologie (étude au microscope de la structure des tissus organiques) sur l'organe entier. Ces acquisitions sont réalisées sur l'organe isolé et fixé chimiquement, comme lors d'une biopsie ou d'une autopsie. Mais l'échantillon n'a pas besoin d'être sectionné comme pour une analyse sur lames de microscopie (histologie) : il a été « numérisé en 3 dimensions », et peut-être examiné sous tous les angles, l'histologie est « virtuelle », (Figure 1A et video Figure 2).

La figure 1 montre des exemples d'images, sur des modèles animaux de tumeur cérébrale (image B) et de maladie d'Alzheimer (image C). L'intérêt principal est l'étude de la morphométrie (géométrie 3D) des objets pathologiques (la tumeur, les plaques amyloïdes), qui est rendue possible car l'organe a été scanné sans être altéré.

Figure 1.  Histologie virtuelle en contraste de phase dans le cerveau de rongeur Crédits des images : (A) Matthieu Chourrout, (B) Ludovic Broche, (C) modifiée d'après l'article preprint [4], version finale publiée : Brain virtual histology with X-ray phase-contrast tomography Part II: 3D morphologies of amyloid-β plaques in Alzheimer’s disease models [5]. (A) Découpe virtuelle de l'échantillon biologique « numérisé » - (B) Exemple de tumeur cérébrale implantée - (C) Etude des plaques amyloïdes dans un modèle génétique de maladie d'Alzheimer : la zone pathologique, riche en plaques amyloïdes est repérée par le rectangle rouge, les plaques apparaissent comme des spots brillants qui peuvent être précisément délimités pour étudier leur géométrie en 3D.

Figure 2.  Histologie virtuelle en contraste de phase dans le cerveau de rongeur - Découpe virtuelle de l'échantillon biologique « numérisé » Crédits video : Coralie Gislard

Si le synchrotron est un outil de recherche formidable, un enjeu important est désormais de pouvoir réaliser cette imagerie sur des pièces anatomiques à l'hôpital ou au laboratoire. Il faut pour cela réussir à réaliser une imagerie en contraste de phase avec une source de rayons X « classique », ce qui représente aujourd'hui un défi technologique considérable.

Plusieurs possibilités sont à l'étude pour cela : l'utilisation de sources X spécifiques (très onéreuses à ce jour), ou l'emploi de dispositifs spécifiques comme des grilles avec des micro-fentes ou des membranes avec une surface rugueuse. Ces derniers permettent effectivement de détecter la réfraction des rayons X mais nécessitent pour l'instant des temps d'acquisition longs. Il est cependant probable que des dispositifs efficaces voient le jour durant les prochaines années et rendent ainsi l'imagerie X en contraste de phase accessible à une plus grande communauté de chercheurs.