La modélisation affine l’observation du cœur et de la cornée

Une technique d’imagerie qui « palpe » les tissus

Alors que les techniques d’imagerie classiques (échographie, IRM, scanner…) « voient » l’intérieur du corps, l’élastographie par ondes de cisaillement, plus récente, permet de le « palper ». Plus exactement, de mesurer localement son élasticité : un tissu malade – fibrose, tumeur… -  devient plus rigide que le tissu sain. 

« L’élastographie est employée en routine depuis une dizaine d’années, par exemple pour des pathologies du foie, précise Sébastien Imperiale, chercheur dans l’équipe-projet Ananke du Centre Inria de Saclay et de l’École polytechnique, membre de l’Institut Polytechnique de Paris. Elle n’est pas invasive et remplace avantageusement la biopsie. Mais cette technique reste plus délicate à appliquer à des organes comme la cornée ou le cœur, alors qu’elle serait pertinente pour diagnostiquer certaines de leurs maladies graves. »  Difficile par exemple de l’utiliser pour le dépistage du kératocône, une maladie neurodégénérative de l’œil qui affecte sévèrement la vision, ou celui de zones nécrosées du muscle cardiaque qui résultent de l’infarctus du myocarde.

Une onde 150 fois plus lente que les ultrasons

Pour comprendre ces difficultés, il faut s’arrêter un instant sur le principe même de l’élastographie. Il consiste à envoyer sur la zone à investiguer des ondes ultrasonores qui exercent localement une infime pression mécanique. En réponse, un phénomène mécanique complexe génère une seconde onde, dite « de cisaillement », de nature différente de la première. 

Cette onde traverse les tissus mous bien plus lentement que les ondes ultrasononores (1 à 10 mètres/seconde, au lieu de 1500 m/s). Et surtout, sa vitesse augmente avec la rigidité du tissu : une onde de cisaillement plus rapide que la normale signale une probable pathologie. 

La méthode est bien adaptée à des organes comme le foie, la prostate ou le sein. Mais les choses se compliquent avec la cornée, soumise à la pression intraoculaire (d’où sa forme bombée), et plus encore avec le cœur, toujours en mouvement et dont la pression interne varie pour générer le flux sanguin. 

Une longue liste de difficultés à surmonter

« Autrement dit, on ne peut pas mesurer la rigidité intrinsèque de ces deux organes et l'utiliser comme marqueur de potentielles pathologies, reprend Sébastien Imperiale. Si l’élastographie révèle une carte de vitesse d’onde inattendue, nous ignorons si elle est physiologique ou liée à la présence d’une pathologie. »

La liste des difficultés ne s’arrête pas là. Ainsi, ni le cœur ni la cornée ne sont des milieux homogènes : par exemple, une cornée compte cinq couches de compositions cellulaires et biochimiques différentes sur moins d’un millimètre d’épaisseur. Autre obstacle, le cœur est protégé par la cage thoracique, donc compliqué à imager. De plus, son activité génère des vibrations qui « bruitent » les mesures d’élastographie. Résultat : les examens ne livrent pas encore un diagnostic très fiable. 

Pour dépasser ces difficultés, les chercheurs de l’équipe-projet Ananke, en collaboration depuis 2022 avec des collègues de l’Inserm (équipe Physmed) dans le cadre du projet ANR Elastoheart, se sont lancés dans le développement de modèles mathématiques et numériques complexes. 

Modélisation : voir et comprendre ce qui est invisible

Ces modèles décrivent en particulier la propagation des ondes de cisaillement : quelle est leur trajectoire dans l’ensemble du cœur ou de la cornée ? Comment les ondes sont-elles altérées par les propriétés des tissus ? Ou par le fait que le cœur peut se trouver à des stades différents de son cycle ? 

« Déjà à ce stade, nous pouvons apporter une avancée aux cliniciens : la connaissance complète du parcours de l'onde, souligne le chercheur. Alors qu’avec un élastographe, il faut se contenter des observations partielles effectuées par les capteurs de l’appareil. »

Fiabiliser les modèles avec l’assimilation des données

Autre défi à relever : comment, à partir des mesures, remonter grâce à des algorithmes à la rigidité des tissus traversés ? Un exercice d’autant plus délicat que la propagation de l’onde de cisaillement dépend aussi de la déformation de l’organe le jour J, à l’instant exact de la mesure. Or, la pression intraoculaire varie d’un individu à l’autre, et au fil du temps pour un même individu. Quant au cœur, il n’est jamais au repos.

« L’enjeu, c’est de rendre nos modèles les plus fidèles possibles à la physiologie de chaque patient, commente Sébastien Imperiale. Par exemple, nous pouvons employer des images issues d’échographies pour paramétrer nos modèles. Nous comparons aussi nos mesures simulées à des mesures élastographiques réelles. Enfin, pour réduire encore le taux d’erreur, nous enrichissons ces modèles en recourant à une autre méthode, couramment utilisée pour fiabiliser les prévisions météo : l’assimilation de données. »

Celle-ci combine des observations réelles bruitées (ici, les mesures d’élastographie de la cornée ou de l’œil) avec les données forcément imparfaites générées par le modèle, afin de converger vers l’estimation la plus fidèle possible de la rigidité de l’organe. « Le modèle obtenu ainsi présente l’avantage de produire des données simulées faiblement bruitées qui pourraient servir de référence pour de futures mesures réelles. »

Vers des appareils d’élastographie beaucoup moins chers que l’IRM

Ces travaux s’avèrent d’une extrême complexité : il a fallu trois ans pour modéliser les ondes de cisaillement dans la cornée, et la modélisation des ondes dans le cœur – toujours en cours – en aura nécessité encore davantage ! Les patients devront donc encore attendre pour bénéficier de ces nouveaux usages de l’élastographie. Mais les dispositifs s’annoncent prometteurs : « on peut imaginer de futurs appareils aussi compacts et mobiles qu’un échographe, beaucoup moins chers qu’un équipement d’IRM et d’une résolution suffisante pour établir un diagnostic fiable », décrit Sébastien Imperiale. 

Après trois ans de collaboration avec l’Inserm, l’équipe-projet Ananke peut déjà se prévaloir de progrès significatifs. Elle a acquis une connaissance approfondie de l’élastographie du cœur et de la cornée d’un point de vue mathématique et numérique. Elle a aussi obtenu ses premières mesures réelles et amélioré les algorithmes de reconstruction qui rendront les imageries de demain plus fiables. « Nous explorons une voie de recherche à haut risque et à haut potentiel, confie Sébastien Imperiale. Voilà pourquoi ce défi me captive. »