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Mar 11, 2023

L'IRM pour tous : les scanners portables pas chers visent à révolutionner l'imagerie médicale

Le patient, un homme d'une soixantaine d'années avec une tignasse de cheveux argentés, se trouve dans le neuro

Le patient, un homme dans la soixantaine avec une tignasse de cheveux argentés, se trouve dans l'unité de soins intensifs neuro (neuro ICU) de l'hôpital Yale New Haven. En le regardant, vous ne sauriez jamais que quelques jours plus tôt une tumeur a été retirée de sa glande pituitaire. L'opération n'a pas laissé de traces car, comme d'habitude, les chirurgiens ont atteint la tumeur par le nez. Il discute joyeusement avec une paire d'associés de recherche qui sont venus vérifier ses progrès avec un nouvel appareil potentiellement révolutionnaire qu'ils testent.

La machine cylindrique se dresse à hauteur de poitrine et pourrait être le frère aîné maussade de R2D2, le robot Star Wars. L'un des chercheurs guide soigneusement le scanner automoteur de 630 kilogrammes jusqu'à la tête du lit, en le dirigeant avec un joystick. En soulevant l'homme par son drap de lit, les chercheurs l'aident à se mettre la tête dans le Swoop, un scanner portable d'imagerie par résonance magnétique (IRM) fabriqué par une société appelée Hyperfine.

"Voulez-vous des bouchons d'oreille?" demande Vineetha Yadlapalli, la deuxième chercheuse.

"Est-ce aussi fort qu'une IRM ordinaire ?"

"Pas du tout."

"Alors je suppose que je n'en ai pas besoin."

Après avoir soutenu les jambes du patient pour soulager la tension sur son dos, Yadlapalli met la machine en marche, en tapant quelques instructions à partir d'un iPad. La machine émet un faible grognement, puis émet un bip et un clic. En quelques minutes, une image du cerveau du patient apparaît sur la tablette de Yadlapalli.

Pendant une demi-heure, l'homme est allongé tranquillement, les mains croisées sur le ventre. Il pourrait se faire coiffer dans un sèche-cheveux à l'ancienne. D'une certaine manière, il est un pionnier qui aide à amener l'IRM là où elle n'est jamais allée auparavant.

Dans de nombreux cas, l'IRM est la référence en matière d'imagerie médicale. Les premières images IRM utiles sont apparues à la fin des années 1970. En une décennie, les scanners commerciaux se sont répandus dans la médecine, permettant aux médecins d'imager non seulement les os, mais aussi les tissus mous. Si les médecins soupçonnent que vous avez eu un accident vasculaire cérébral, développé une tumeur ou déchiré le cartilage du genou, ils vous prescriront probablement une IRM.

Si vous avez la chance de pouvoir en obtenir un, bien sûr. Un scanner IRM utilise un champ magnétique pour faire tourner les noyaux atomiques dans les tissus vivants, en particulier les protons au cœur des atomes d'hydrogène, afin qu'ils émettent des ondes radio. Pour générer le champ, un scanner standard utilise un grand et puissant électroaimant supraconducteur qui pousse le coût d'une machine à 1,5 million de dollars ou plus, rendant l'IRM hors de portée de 70 % de la population mondiale. Même aux États-Unis, passer une IRM peut nécessiter des jours d'attente et un trajet de minuit en voiture vers un hôpital éloigné. Le patient doit venir au scanner, et non l'inverse.

Pendant des années, certains chercheurs se sont efforcés de construire des scanners qui utilisent des aimants permanents beaucoup plus petits, faits de l'alliage que l'on trouve souvent dans les jouets de bureau. Ils produisent des champs environ 1/25e aussi puissants qu'un aimant d'IRM standard, qui aurait autrefois été bien trop faible pour glaner une image utilisable. Mais, grâce à une meilleure électronique, à une collecte de données plus efficace et à de nouvelles techniques de traitement du signal, plusieurs groupes ont imagé le cerveau dans des champs aussi faibles, mais avec une résolution inférieure à celle de l'IRM standard. Le résultat est des scanners suffisamment petits pour rouler jusqu'au lit d'un patient et peut-être suffisamment bon marché pour rendre l'IRM accessible dans le monde entier.

Les machines marquent un triomphe technologique. Kathryn Keenan, ingénieure biomédicale à l'Institut national des normes et de la technologie, qui teste un scanner Hyperfine, déclare : "Tous ceux qui passent sont super impressionnés par le fait que cela fonctionne." Certains disent que les scanners pourraient également transformer l'imagerie médicale. "Nous ouvrons potentiellement un tout nouveau domaine", déclare Kevin Sheth, neurologue à la Yale School of Medicine qui a beaucoup travaillé avec le Swoop mais n'a aucun intérêt financier dans Hyperfine. "Ce n'est pas une question de 'Est-ce que ça va arriver?' Ça va être une chose."

En août 2020, le Swoop est devenu le premier scanner à faible champ à obtenir l'approbation de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis pour imager le cerveau, et les médecins le soumettent à des études cliniques à Yale New Haven et ailleurs. D'autres appareils suivent de près. Mais Andrew McDowell, physicien et fondateur de la société de conseil NeuvoMR, LLC, prévient qu'il n'est pas clair qu'il existe un marché pour un scanner à faible champ, avec sa résolution inférieure. "Le vrai défi va être de convaincre les médecins de commencer à l'utiliser", dit-il. "C'est très difficile parce que pour de bonnes raisons, ils sont très conservateurs."

Un scanner IRM ne fonctionne pas comme un appareil photo ; c'est en fait une radio qui syntonise les protons des tissus vivants. Comme une petite aiguille de boussole, chaque proton est magnétique, et généralement les protons pointent au hasard dans toutes les directions (voir graphique ci-dessous). Cependant, un champ magnétique externe peut les aligner. À ce stade, une impulsion d'ondes radio de la bonne fréquence et de la bonne durée peut les faire basculer de 90°. Les protons alignés virevoltent alors comme des gyroscopes, émettant un signal radio qui leur est propre, dont la fréquence augmente avec l'intensité du champ.

Ce bourdonnement radio monotone éphémère révèle peu de choses. Pour créer une image, le scanner doit distinguer les ondes provenant de différents points du corps. Pour ce faire, il sculpte le champ magnétique, qui fait chanter les protons à différents endroits à différentes fréquences et états de synchronie. Le scanner doit également distinguer un type de tissu d'un autre, ce qu'il fait en exploitant le fait que les signaux radio s'estompent à des rythmes différents dans différents tissus.

L'une des raisons pour lesquelles le signal s'éteint est que les protons se désalignent les uns les autres à travers leurs propres champs magnétiques. La vitesse à laquelle cela se produit diffère entre, par exemple, la matière grasse du cerveau et le liquide céphalo-rachidien aqueux. Pour mesurer le rythme, le scanner applique des paires d'impulsions. La première impulsion crée un signal qui s'estompe au fur et à mesure que les orientations des protons tourbillonnants se déploient. La seconde inverse une grande partie de cette évolution, suscitant un écho du signal. Les interactions proton-proton atténuent cependant cet écho. Ainsi, le scanner peut mesurer leur taux en suivant la façon dont l'écho se rétrécit à mesure que le délai entre les deux impulsions augmente.

Tout en appliquant paire après paire d'impulsions, le scanner doit simultanément trier les échos provenant de différents points du cerveau. Pour ce faire, il s'appuie sur des gradients de champ magnétique appliqués à des moments clés. Par exemple, un gradient appliqué pendant l'écho du menton à la couronne fait que les protons dans différentes tranches latérales à travers la tête rayonnent à différentes fréquences. Un gradient appliqué entre les impulsions et à travers la tête placera les protons dans les tranches verticales en avant ou en arrière dans leur tourbillon, une différence de "phase" qui fait que les échos de certaines tranches se renforcent les uns les autres et que d'autres s'annulent. En faisant varier le gradient, le scanner peut déduire la force de l'écho de chaque tranche.

Au cours de nombreuses répétitions, le scanner recueille une pléthore d'échos dont l'intensité varie avec le retard, la fréquence et la phase. Un algorithme mathématique standard les décode pour produire une carte de la façon dont les interactions proton-proton varient dans tout le cerveau, formant un type d'image IRM. D'autres séquences d'impulsions sondent d'autres processus spécifiques aux tissus, tels que la vitesse de diffusion des protons, qui peuvent suivre le flux de fluide.

Toutes ces pulsations expliquent pourquoi les examens IRM prennent du temps et pourquoi un appareil IRM émet des gazouillis, des clics et des bourdonnements. Ces sons émergent lorsque des contraintes mécaniques secouent les bobines porteuses de courant qui créent les gradients magnétiques. Un technicien peut dire quel type d'analyse une machine effectue uniquement à partir de ces sons, explique Yadlapalli.

Un champ plus fort facilite tout cela en polarisant les protons plus complètement et en créant un signal plus important. L'aimant d'un scanner standard produit un champ de 1,5 tesla - 30 000 fois plus fort que le champ terrestre - et certains atteignent 3 ou 7 tesla. Même ainsi, les protons pointant le long d'un champ de 1,5 tesla sont plus nombreux que ceux pointant dans l'autre sens de seulement 0,001 %. Réduisez l'intensité du champ d'un facteur 25 et la polarisation chute avec. Le rapport signal sur bruit chute encore plus, d'un facteur de près de 300.

En principe, un scanner à faible champ pourrait amadouer un signal du bruit en prenant des données sur une période plus longue, tout comme les radioastronomes filtrent un signal faible du bruit en orientant leurs paraboles sur une étoile pendant des heures ou des jours. Cette tactique ne fonctionnera pas avec un humain, qui ne peut rester immobile que si longtemps. Ainsi, en développant l'IRM à faible champ, les chercheurs ont dû trouver des moyens d'extraire les données beaucoup plus rapidement.

Un meilleur matériel est un élément clé, explique Joshua Harper, ingénieur neuronal à l'Université allemande du Paraguay. "Nous avons maintenant des appareils électroniques vraiment rapides et vraiment bon marché", dit-il. "C'est vraiment pour ça que ça marche." Même ainsi, faire une IRM à faible champ dans une chambre d'hôpital est délicat. Le métal dans d'autres machines et même les murs peut déformer le champ, et l'électricité statique d'autres appareils peut perturber le signal radio. Les scanners utilisent donc des contre-mesures. Par exemple, Swoop d'Hyperfine utilise des antennes pour mesurer le bruit radio et l'annuler, de la même manière que les écouteurs antibruit bloquent le son.

Les nouveaux scanners tournent également un aspect du champ inférieur à leur avantage pour fonctionner plus rapidement. Pour manipuler les protons, un scanner à champ élevé doit utiliser des ondes radio de fréquence plus élevée et d'énergie plus élevée, de sorte qu'il ne peut pulser qu'à une certaine vitesse avant de commencer à chauffer le patient. Sans cette limite de vitesse, un scanner à faible champ peut pulser plus rapidement et utiliser des séquences d'impulsions plus efficaces, explique Matthew Rosen du Massachusetts General Hospital, un physicien qui a cofondé Hyperfine. "Nous pouvons interroger très, très rapidement, faire des choses que vous ne pourriez jamais faire en haut champ."

Même ainsi, la collecte de données suffisamment rapide pour une reconstruction d'image standard reste un défi. Une solution consiste à utiliser de nouvelles techniques de traitement du signal, y compris l'intelligence artificielle. Les ingénieurs d'Hyperfine utilisent un ensemble d'images de formation pour enseigner à un programme appelé réseau de neurones à construire des images cérébrales à partir de données relativement rares, explique Khan Siddiqui, médecin-chef et directeur de la stratégie d'Hyperfine. "C'est là que notre sauce secrète entre en jeu."

Par rapport à une numérisation standard, une image à faible champ semble plus floue. Pourtant, les physiciens voient sa beauté. "C'est cette incroyable réussite en physique", déclare Rosen. "Ce n'est pas seulement nous, les physiciens à tête pointue [goofing] et faisant des choses dont personne ne se soucie." La technologie donne raison à ceux qui travaillent dans un coin oublié du terrain, dit McDowell. « Qui, sain d'esprit, construirait une machine de 65 millitesla alors que la gloire est de construire celle de 11 tesla ?

Hyperfine dit que son scanner swoop a pris un bon départ. Il a vendu plus de 100 machines, principalement aux États-Unis, à environ 250 000 $ pièce. L'objectif n'est pas de remplacer les scanners à champ élevé, mais d'étendre la façon dont l'IRM est utilisée, dit Siddiqui. "Notre scanner portable rapproche l'IRM du patient, à la fois dans le temps et dans la distance." Hyperfine envisage de l'utiliser dans le neuro ICU pour évaluer rapidement les patients trop malades ou instables pour passer à une IRM conventionnelle ou à un scanner, qui produit un type de radiographie 3D.

L'aimant d'un Swoop se compose de deux disques et produit un champ de 64 millitesla. Une analyse de celui-ci semble radicalement différente d'une analyse standard. Dans un scanner conventionnel, une table automatisée vous glisse physiquement dans l'aimant cylindrique. Avec le Swoop, un patient capable peut se faufiler dans l'aimant comme s'il se tortillait sous le pare-chocs d'une voiture. Un casque en forme de casque contenant les antennes berce votre tête si confortablement qu'il peut toucher votre nez, mais vos bras et vos jambes sont libres. Le gazouillis de la machine est doux, voire apaisant.

Fin 2019 et début 2020, alors que la pandémie de coronavirus s'installait, Sheth et ses collègues ont testé la promesse du Swoop en scannant 50 patients en soins intensifs, dont 20 atteints de COVID-19. Parce que beaucoup étaient sous ventilateurs et sous sédation, "nous n'avions aucune idée de leur état neurologique et aucun moyen de jeter un coup d'œil par n'importe quelle modalité d'imagerie disponible", se souvient Sheth. "Et cela nous a fourni un moyen de le faire au chevet du patient." Les analyses ont révélé un traumatisme cérébral dans 37 cas, dont huit patients atteints de COVID-19, ont rapporté les chercheurs en janvier 2021 dans JAMA Neurology.

Les machines moins chères et plus petites pourraient également permettre aux patients d'obtenir des analyses de suivi plus fréquentes. C'est une perspective qui résonne avec Ronald Walsworth, physicien à l'Université du Maryland, College Park, et co-fondateur d'Hyperfine. En 2007, son fils alors âgé de 2 ans a développé une tumeur cérébrale non cancéreuse. Il a été traité avec succès, dit Walsworth, qui siège au conseil consultatif d'Hyperfine. Pourtant, dit-il, "il y avait des signes qui n'étaient pas détectés tôt et des choses qui n'étaient pas décidées plus efficacement parce que les IRM ne pouvaient se produire que de temps en temps."

Les atouts du Swoop ont conquis ses fans. "Oh, mon Dieu, quelle belle, belle technologie", déclare Steven Schiff, neurochirurgien pédiatrique à l'Université de Yale qui n'a aucun intérêt financier dans Hyperfine. Pourtant, le Swoop peut manquer des détails qu'un scanner à champ élevé saisirait car sa résolution de 1,5 millimètres est la moitié de celle d'un scanner standard. Par exemple, l'équipe de Sheth l'a utilisé pour imager le cerveau de 50 patients ayant subi un AVC ischémique, visible avec une IRM standard. Le Swoop a raté les cinq plus petits coups millimétriques, ont rapporté les chercheurs en avril 2022 dans Science Advances.

Cette découverte montre que les médecins devront faire preuve de jugement pour décider quand utiliser chaque type de scanner, dit Sheth. "Vous ne devriez pas être trop inquiet, mais vous devez comprendre le contexte dans lequel vous pourriez manquer quelque chose", dit-il. Pourtant, McDowell note que les médecins peuvent éviter un scanner à faible champ s'ils pensent que son utilisation pourrait les exposer à une poursuite pour faute professionnelle.

Dans une grande partie du monde, l'IRM n'est tout simplement pas disponible. Une équipe aux Pays-Bas espère que son scanner changera cela. Son aimant diffère radicalement de celui du Swoop. Il se compose de 4098 cubes de néodyme fer bore - un alliage développé dans les années 1980 par les constructeurs automobiles - intégrés dans un cylindre en plastique creux et disposés dans une configuration appelée matrice Halbach pour produire un champ horizontal uniforme. "Notre système est intrinsèquement meilleur et présente moins de distorsions", affirme Andrew Webb, physicien en IRM au centre médical de l'université de Leiden, il nécessite donc moins d'aide de traitements tels que l'apprentissage automatique.

Une entreprise privée, Multiwave Technologies en Suisse, tente de commercialiser le scanner. Il demandera l'approbation de la FDA cette année et vise à louer ses machines dans un modèle d'abonnement, a déclaré Tryfon Antonakakis, co-PDG de Multiwave. "Notre objectif est de le rendre aussi abordable que possible et pas nécessairement d'être à l'hôpital", explique Antonakakis, ingénieur et mathématicien appliqué. "Nous cherchons à aller dans les montagnes, dans les déserts médicaux des pays en développement."

Webb et ses collègues, dont Martin van Gijzen, mathématicien appliqué à l'Université de technologie de Delft, ont un autre plan pour diffuser leur technologie : la donner. "Nous avons pris la décision - Martin, moi-même, toute notre équipe - que nous n'allions pas breveter des choses", explique Webb. "Tout sera open source", afin que n'importe qui puisse télécharger sa conception sur Internet et construire des scanners. Webb et ses collègues espèrent que les entrepreneurs des pays en développement les fabriqueront localement.

Pour semer l'idée, ils ont expédié un scanner, emballé sous forme de kit, à Johnes Obungoloch, ingénieur biomédical à l'Université des sciences et technologies de Mbarara en Ouganda, qui était étudiant diplômé à l'Université d'État de Pennsylvanie, University Park, lorsque Webb et Schiff étaient ici aussi. En septembre 2022, Webb et d'autres se sont envolés pour l'Ouganda pour aider Obungoloch et son équipe à assembler le scanner en 11 jours.

Bientôt, il sera utilisé dans un projet visant à tester l'utilité de l'IRM à faible champ dans les pays en développement. Le CURE Children's Hospital of Uganda, un établissement de neurochirurgie pédiatrique de 55 lits à Mbale géré par une organisation internationale à but non lucratif, prévoit de comparer le scanner d'Obugoloch, un Swoop et un scanner CT. Les médecins imageront des enfants atteints d'hydrocéphalie, dans lesquels le liquide céphalo-rachidien s'accumule dans le cerveau et le comprime, causant potentiellement des dommages débilitants ou mortels. À l'échelle mondiale, l'hydrocéphalie touche 400 000 enfants chaque année et représente 75 % des patients de l'hôpital CURE. En Afrique, une infection est la cause habituelle.

Pendant des années, Schiff et ses collègues de l'hôpital ont utilisé des tomodensitogrammes pour guider une chirurgie innovante qui permet au fluide de s'écouler dans les ventricules cérébraux, une alternative à l'installation d'un shunt dans l'abdomen. Cependant, une tomodensitométrie expose les enfants à un rayonnement X considérable, de sorte que les médecins de CURE verront si les images IRM à faible champ peuvent guider les chirurgiens. "Si l'IRM s'avère comparable à la tomodensitométrie, alors il n'y a plus de raison d'utiliser la tomodensitométrie", déclare Ronald Mulondo, médecin au CURE qui dirige le projet.

L'étude est en attente d'approbation gouvernementale finale. Si cela réussit, Obungoloch envisage de construire plus de scanners, peut-être pour les six autres hôpitaux CURE d'Afrique, et même de s'approvisionner localement en certaines pièces. L'Ouganda a des soins de santé publics, de sorte que cette vision dépend du financement du gouvernement, dit-il.

Pourtant, comme leurs pairs ailleurs, les médecins ougandais peuvent avoir des réserves quant à la résolution limitée de la technique, note Obungoloch. "Les radiologues le voient et disent : "Eh bien, c'est une image de merde et nous nous moquons du temps qu'il vous a fallu pour l'acquérir". aussi utile soit-il, dit-il.

En vérité, les développeurs de l'IRM à faible champ poussent pour rien de moins qu'une refonte de l'imagerie médicale. "La meilleure technologie est-elle le scanner qui peut fournir des images de la plus haute qualité, ou est-ce le scanner qui peut conduire aux meilleurs résultats pour les patients ?" demande Harper, qui a collaboré à la plate-forme open source de Webb et espère acquérir un Swoop.

Ce qui gagnera les médecins, dit Sheth, sera un "cas d'utilisation" - une application qui tue pour les scanners. Par exemple, ils pourraient être placés dans des ambulances spéciales pour les soins d'AVC. Il se demande si Hyperfine et d'autres ont trouvé ce cas d'utilisation, mais prédit qu'il viendra.

Ensuite, il y a des patients à conquérir. Après son passage dans le scanner Hyperfine, le patient atteint d'une tumeur hypophysaire confie à Yadlapalli que ce n'était pas aussi confortable qu'une IRM ordinaire. Notant qu'il ne peut toujours pas respirer par le nez à cause de la chirurgie, il dit que le panier de tête bien ajusté l'a dérangé. "Je préférerais être conduit à un vrai IRM." Appelez-le un pionnier réticent.