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Le scanner médical du futur inventé grâce à la matière noire ?

L'équipe de Dominique Thers à IMT Atlantique travaille sur XEMIS : un dispositif d'imagerie médicale utilisant le xénon liquide.

Une équipe de chercheurs du laboratoire Subatech (associant IMT Atlantique, le CNRS et l’université de Nantes) élabore un nouveau type de scanner médical baptisé XEMIS. La technologie au xénon utilisée est directement tirée de leurs travaux en physique fondamentale sur la détection de matière noire. Les premiers résultats obtenus à l’échelle du vivant sur de petits mammifères permettront de diminuer significativement la dose injectée, le temps des examens, et d’améliorer la résolution des images produites.

Cet article fait partie de notre dossier Quand l’ingénierie se met au service de la santé.

Depuis 10 ans, des chercheurs du laboratoire Subatech traquent la matière noire au sein de la collaboration internationale XENON. L’approche des scientifiques, basée sur du xénon liquide, leur donne aujourd’hui une position de leader face à l’un des grands mystères de l’univers : de quoi est constituée la matière noire ? En attendant de trouver la réponse, ces travaux très fondamentaux en physique fondamentale ont déjà donné lieu à de nouvelles idées pour des découvertes… dans le domaine médical ! Les innovations produites par la collaboration XENON pour détecter les particules de matière noire s’avèrent en effet très prometteuses pour faire de l’imagerie médicale en étant bien plus efficace que les scanners actuels.

Améliorer les techniques actuelles d’imagerie est un des grands enjeux de la médecine du futur. La personnalisation des soins et du suivi des personnes, tout comme la prédiction des pathologies, demandent d’acquérir plus régulièrement des données sur les patients. Or, nul ne prend plaisir à passer plus souvent des scanners qui demandent de rester immobile pendant 30 minutes. Pour les hôpitaux, faire plus d’examens implique aussi plus de machines et de personnel. Des techniques d’imagerie plus rapides sont donc synonymes d’un avantage économique du côté des structures de santé, et pratique du côté des patients.

Plusieurs approches sont en concurrence à l’échelle internationale pour trouver les scanners de demain. Elles sont toutes basées sur des architectures de scanner proches de celles des appareils actuels. « C’est un domaine où les investissements sont importants » pointe Dominique Thers, chercheur à IMT Atlantique en physique fondamentale et coordinateur France de la collaboration XENON. Les industriels progressent donc de manière raisonnée, en augmentant la taille des caméras par exemple, ou leur résolution. « Parce que notre technologie vient directement d’un autre domaine, celui de la recherche de matière noire, nous sommes vraiment en rupture avec les pistes explorées à l’heure actuelle » souligne le chercheur, tout en rappelant que les travaux de son équipe relèvent encore de la recherche, et non pas d’une application industrielle.

Un bain de xénon

Cette approche des physiciens prend le nom de XEMIS (XEnon Medical Imaging Sytem). S’ils utilisent le mot « caméra » pour en parler, la description de Dominique Thers brise d’emblée la représentation imaginaire que l’on peut s’en faire : « XEMIS est une baignoire cylindrique remplie de xénon liquide. » Visualisez un donut sur sa tranche, étiré en longueur pour former un tube avec son trou central. Allongé dans le trou, le patient. Tout autour de lui, une paroi de 12 centimètres d’épaisseur remplie de xénon liquide. Sur la forme, XEMIS ressemblerait presque à un scanner comme un autre. La différence réside dans le principe de l’imagerie : avec XEMIS, le tube entier constitue la « caméra ».

Pour comprendre, rentrons dans le détail. Il existe deux grands types de scanners médicaux : le CT-scan, et le PET-scan. Le premier — le CT scan — repose sur une source de rayons X, qui passent à travers le corps et sont reçus par un récepteur de l’autre côté du tube. Le PET-scan nécessite quant à lui l’injection d’un produit faiblement radioactif dans le patient. Le produit émet des rayonnements ionisants reçus par un anneau de capteurs qui se déplace le long du patient dans le tube.

Dans les deux cas, les appareils souffrent d’une limite de taille : l’effet de parallaxe. Il est dû au fait que les capteurs ont une direction orientée vers le centre du tube. La détection n’est donc pas homogène dans toutes les directions autour de la personne scannée. La résolution de l’image est alors meilleure au centre du champ de vue qu’en bordure. C’est pour cela que le scanner fournit des images médicales par tranche : les récepteurs doivent être repositionnés pour visionner précisément une zone du patient.

XEMIS fonctionne avec un produit d’injection, comme le PET-scan. En revanche, plus besoin de capteurs qui se déplacent : chaque atome de xénon liquide autour du corps du patient est un récepteur. Ils offrent ainsi un grand champ de vue homogène dans toutes les directions. C’est un avantage conséquent : plus besoin de déplacer des capteurs et de procéder par tranches. Pour la même durée d’examen, XEMIS fournit donc une image plus précise — ou alors la même qualité d’image mais en un temps plus faible.

Trois photons valent mieux que deux

L’homogénéité de la détection n’est pas le seul avantage de ce scanner nouvelle génération. « Les produits d’injection traditionnels, comme ceux à base de fluor 18, émettent deux rayons gamma diamétralement opposés » détaille Dominique Thers. « Lorsqu’ils entrent en contact avec le xénon autour du patient, deux choses se produisent : une lumière est émise, et un courant électrique est produit. » C’est cette détection du choc avec le xénon qui est directement issue de la méthode de traque de la matière noire.

Des deux côtés du tube donc, deux points d’interaction avec le xénon. La ligne tracée entre les deux passe par le patient, et précisément par le point d’où ont été émis les rayons gamma. Des algorithmes se chargent ensuite d’enregistrer et de traiter tous ces signaux et tous les points associés dans le patient pour construire une image. « Avec la technologie XEMIS qui supprime les effets de parallaxe, le rapport signal sur bruit de l’image, créé par cette méthode de détection, est supérieur d’un facteur dix à celui des images des scanners PET-scan classiques » précise le chercheur.

Et en plus de cela, les caméras XEMIS permettent d’avoir une approche où une nouvelle modalité d’imagerie est possible : l’imagerie à trois photons ! L’idée ici est d’injecter non pas du fluor 18, mais du scandium 44, fabriqué par le cyclotron ARRONAX à Nantes. Le scandium 44 qui émet deux photons diamétralement opposés, plus un troisième. « Non seulement nous avons une ligne qui passe par le patient, mais en plus nous avons un cône creux, mesuré par XEMIS et contenant le troisième photon émis, passant donc par le point d’émission. » Une information géométrique supplémentaire qui ouvre la voie d’une triangulation directe de la position d’émission, donc in fine, encore un meilleur rapport signal sur bruit.

Dominique Thers résume : « Sur le rapport signal sur bruit de l’image médicale à l’échelle d’un être humain, nous pourrons gagner un facteur 10 par la suppression de l’effet parallaxe, un facteur 10 avec une caméra assez longue pour accueillir l’ensemble du patient dans le champ de vue, et enfin un autre facteur 10 grâce au troisième photon. Au final, XEMIS a la capacité d’améliorer d’un facteur 1 000 le rapport signal sur bruit. » Dès lors, il est possible de faire des arbitrages afin de réduire la dose injectée, ou d’accélérer le protocole d’imagerie pour augmenter le débit d’images des caméras.

Vers un scanner industriel ?

Les chercheurs de Subatech ont déjà fait une preuve de performance de XEMIS sur des traceurs radioactifs à trois photons, mais pas encore in vivo. Une deuxième phase des travaux arrive à échéance, baptisée naturellement XEMIS2, et soutenue par Nantes Métropole et la Région Pays de la Loire. « Notre but maintenant est de faire la démonstration d’une première image du vivant, sur un petit animal par exemple, pour montrer la grosse différence avec les scanners traditionnels » présente le chercheur. C’est une étape-clé pour que la technologie trouve un écho dans la communauté scientifique de l’imagerie médicale. Une collaboration avec le CHU de Nantes doit notamment permettre d’aboutir à cet objectif.

En attendant, l’équipe de Subatech a déjà breveté plusieurs innovations avec Air Liquide pour un système de renouvellement et de vidange du xénon dans la caméra XEMIS. 30 % de la technologie concerne en effet des liquides cryogéniques. Il est important de prévoir d’emblée les opérations techniques pour faciliter l’adoption de XEMIS par les structures de santé, si jamais ce nouveau type de scanner venait à être accepté par le corps médical. C’est un coup d’avance sur le développement d’une technologie unique à l’échelle internationale.

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