Ultrasons biomédicaux

Ce thème de recherche concerne le développement de méthodes ultrasonores pour la caractérisation et l'imagerie diagnostique des tissus biologiques (os, sang, tumeur), et la stimulation ultrasonore des processus cellulaires à des fins thérapeutiques. Les actions portent sur la compréhension des mécanismes d'interaction onde-tissus et le développement de méthodes d’inversion pour la construction d’images quantitatives, basées sur des approches analytiques, numériques et expérimentales in vitro et in vivo. 

Participants permanents : E. Debieu (IE), E. Franceschini (DR), R. Guillermin (IR), P. Lasaygues (IR), S. Mensah (MCF ECM), V. Monteiller (IR), S. Rakotonarivo (MCF AMU), T. Scotti (IR)
Doctorants/post-doctorants/CDD : E. Brunet (PhD), L. Olive (CDD IR), A. Ortega (PhD), V. Parameshwarappa (post-doc), A. Weber (post-doc)

Ultrasons Quantitatifs & Microstructure des tissus biologiques

Notre objectif est de sonder la microstructure des milieux biologiques complexes (sang et tumeurs) par rétrodiffusion ultrasonore afin de détecter des pathologies et de suivre l’efficacité des traitements. Une nouvelle technique ultrasonore basée sur la mesure du facteur de structure a été récemment développée au LMA pour mesurer la microstructure des suspensions denses cisaillées de globules rouges (=sang) et des amas denses de cellules cancéreuses (=tumeurs). La microstructure (i.e., l’arrangement spatial des cellules les unes par rapport aux autres) fournit des informations quantitatives sur les propriétés des cellules et leurs interactions. Pour les pathologies sanguines comme la drépanocytose, nos études actuelles consistent à évaluer l’efficacité de cette technique quantitative ultrasonore pour détecter une altération de la déformabilité et de l'agrégation des globules rouges (ANR HEMO 2022-2026). Pour les tumeurs cancéreuses, nos études portent sur la compréhension de la diffusion ultrasonore par des cellules isolées ou des amas de cellules au cours d’un processus de mort cellulaire en vue du suivi de thérapie anticancéreuse (ITMO NIFUS 2022-25).

Exemple de coupes histologiques de biofantômes de cellules cancéreuses HT29 non-traitées et traitées avec un agent chimio-thérapeutique. Comparaison entre les intensités ultrasonores mesurée et prédite par le modèle de facteur de structure polydisperse dans la bande de fréquence 10-32 MHz.

Tomographie ultrasonore non linéaire : application à l'ultrasonographie musculosquelettique chez l'enfant

Ce thème concerne le développement de la tomographie ultrasonore non linéaire. Contrairement aux approches linéaires conventionnelles, la reconstruction des images est ici envisagée en construisant une fonction coût qui dépend de l'écart entre le champ mesuré et le champ simulé ; l'identification se faisant par la recherche de ses minima. La modélisation du problème direct repose sur une formulation variationnelle des équations de l'élasto-dynamique résolue en 3D par la méthode des éléments spectraux (logiciel open-source SPECFEM3D). L'algorithme d'inversion est basé sur des méthodes itératives de descente (méthode de quasi-Newton) et l’imagerie par forme d’onde complète (FWI – Full Waveform Inversion). L'applications visée est l'ultrasonographie musculosquelettique chez l'enfant. La version non linéaire de la tomographie ultrasonore permet de prendre alors en compte des milieux de propagation complexe constitué de tissus mous, de muscles et d'os longs ayant des contrastes d'impédances acoustiques élevés.

Imagerie par microtomographie par rayons X (Fédération Fabri de Peiresc), et tomographie ultrasonore linéaire et non linéaire d'un fantôme artificiel de bras d'enfant (True Phantom^TM, CA) contenant l'humérus, le radius et le cubitus, les veines humérale, radiale et cubitale, enrobés d’un tissu adipeux homogène (coll. LMA- Institut Clément Ader, Tarbes). (Haut gauche) antenne circulaire en diffraction 8 voies du LMA.

Stimulation ultrasonore de processus cellulaires

Les ultrasons se présentent comme un outil prometteur pour activer ou moduler des processus cellulaires à distance dans des organes profonds de façon non-invasive. Les deux processus cellulaires ciblées sont le remodelage osseux (ANR INVICTUS 2023-2027) et la neurostimulation des neurones sensoriels (ANR HEAR-US 2020-2024). Nos objectifs sont (1) d’identifier les paramètres ultrasonores optimaux requis pour déclencher des réponses biologiques de façon contrôlée et reproductible, et (2) de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu lors de ces processus. Des dispositifs expérimentaux sont développés pour mesurer les effets des ultrasons sur des cellules osseuses ou des neurones en culture en utilisant l’imagerie MEB ou l’imagerie calcique. Des simulations numériques et des campagnes de mesures sont conduites pour évaluer quel(s) phénomène(s) (force de radiation acoustique, streaming acoustique, changement de température) induits par les ultrasons sont responsables de l’activation de ces processus cellulaires dans nos expériences in vitro et in vivo.

(a) Imagerie calcique de neurones sensoriels isolés, 2 s. avant le début de la stimulation ultrasonore, puis 2 s. et 40 s. après (coll. LMA-IBDM). (b) Modélisation numérique multi-échelle du streaming acoustique dans une coupe 2D d'un scaffold osseux (coll. IRPHé-LMA).