Section 28 Pharmacologie, bioingéniérie, imagerie, biotechnologie

III. Imagerie biomédicale

A. État des lieux et enjeux

L'imagerie biomédicale in vivo vise, par une observation non destructive, à mieux comprendre la physiologie ainsi que la physiopathologie des maladies, et à développer et valider des méthodes de diagnostic et de suivi thérapeutique de plus en plus précises et précoces, avec notamment l'identification de biomarqueurs d'imagerie. Les biomarqueurs d'imagerie sont particulièrement pertinents, en parallèle avec les autres biomarqueurs génétiques ou biologiques. Les recherches en imagerie biomédicale concernent le développement de méthodes et d'applications à la fois sur des modèles animaux et chez l'homme. Les méthodes d'imagerie s'appliquent aux pathologies à fort impact sociétal, notamment celles associées au vieillissement, aux pathologies chroniques, cardiovasculaires, diabète, obésité, cancer et plus largement à l'ensemble des pathologies.

L'imagerie a un rôle clé dans l'amélioration de la qualité et de la sécurité des méthodes de diagnostic et de suivi des patients et dans le développement d'une médecine personnalisée. Il s'agit d'un secteur fortement multidisciplinaire à l'image de la section 28, puisqu'il implique des compétences dans des domaines tels que la physique, l'électronique, la biologie, la médecine, la chimie et l'informatique, etc.

B. Les grands domaines applicatifs

Les informations apportées par les méthodes d'imagerie sont morphologiques, fonctionnelles, physiologiques, structurales et métaboliques. Plus récemment, l'imagerie s'est également développée pour guider ou contrôler des actes chirurgicaux mini-invasifs ou parfaitement non-invasifs.

– L'imagerie anatomique ou morphologique décrit la structure et la forme des organes et de leurs lésions, le contraste étant basé sur les caractéristiques intrinsèques des tissus ou sur l'injection d'agents de contraste.

– L'imagerie fonctionnelle visualise la fonction des organes, en faisant apparaître soit leur mouvement, soit des modifications de contraste d'origine physiologique.

– L'imagerie métabolique décrit le fonctionnement ou le dysfonctionnement des organes, au moyen d'informations biochimiques spécifiques fournies par des traceurs ou des mesures spectroscopiques.

– L'imagerie interventionnelle vise à guider et suivre une intervention chirurgicale avec un minimum d'effraction du corps humain, voire sans aucune effraction.

C. Développements en imagerie et voies d'évolution

1. Développement des modalités

Les différentes modalités d'imagerie biomédicale se déclinent dans les domaines de la physique des interactions onde-matière propres au vivant : l'imagerie ultrasonore, les méthodes par résonance magnétique, les méthodes nucléaires (PET, CT, SPECT), et les méthodes optiques. Grâce aux progrès en amont en physique et électronique et à de nouveaux concepts, les développements technologiques des différentes modalités d'imagerie sont en évolution constante, visant à obtenir des images plus définies, spécifiques, quantitatives et ceci de plus en plus rapidement. De plus, de nouveaux outils ou paramètres mesurés élargissent le champ des informations obtenues à partir de l'imagerie.

Imagerie par rayons X

Elle repose sur l'opacité partielle des tissus au rayonnement, soit pour fournir des images de projection (radiographie), soit pour calculer des images de coupe en tomodensitométrie (TDM). Les progrès actuels visent à améliorer la résolution spatiale et temporelle ainsi que le contraste des images. L'objectif est aussi de diminuer la dose de radiation, sans perdre d'information diagnostique. Parmi les avancées récentes, il faut citer les multidétecteurs, les détecteurs à pixels hybrides issus de la physique des particules permettant d'obtenir une information spectrale, ou encore la technique de contraste de phase.

Imagerie ultrasonore ou échographie

Elle utilise notamment la réflexion des ondes ultrasonores ou leur diffusion à l'interface de tissus de propriétés mécaniques différentes. La technologie des ultrasons se développe activement et ouvre de nouvelles possibilités pour le diagnostic, le traitement, et le suivi de traitement. Comme pour les modalités à rayons X, la tomographie d'émission de positon (TEP), ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM), l'imagerie ultrasonore est devenue tridimensionnelle. Parallèlement aux méthodes classiques d'imagerie ultra-sonore, de nouvelles méthodes commencent à s'imposer dans la pratique clinique, telles que l'élastographie ou la tomodensitométrie osseuse ultrasonore. L'échographie ultrarapide capable d'atteindre des cadences de plusieurs milliers d'images par seconde représente également un développement important en imagerie ultrasonore médicale, qui a conduit au concept d'imagerie ultrasonore fonctionnelle. La France occupe une place importante dans ce domaine, avec des équipes académiques contribuant fortement aux développements et suscitant la création de plusieurs entreprises.

Imagerie nucléaire

Cette imagerie montre la distribution de traceurs radioactifs, qu'ils soient des émetteurs de photons pour la tomographie d'émission monophotonique (TEMP), ou des émetteurs de photons β+ pour la tomographie d'émission de positons (TEP). Les techniques d'imagerie scintigraphique sont les techniques de choix pour suivre des processus moléculaires. L'avènement des techniques multimodales a permis d'associer des repères anatomiques précis à l'information TEP (PET-CT, IRM PET). Les techniques ont également bénéficié d'avancées majeures dans les caméras PET.

Imagerie par résonance magnétique (IRM)

Elle permet de visualiser les noyaux d'hydrogène ou d'autres noyaux dans le corps humain grâce à leurs propriétés magnétiques. Comme dans les autres méthodes d'imagerie, les progrès visent à l'amélioration du rapport signal/bruit et de la résolution spatiale et temporelle. Plusieurs développements concourent à cet objectif, et notamment l'utilisation de champs magnétiques de plus en plus élevés, l'amélioration des sondes de radio-fréquence (cryosondes, sondes en réseaux phasés), la transmission parallèle ou l'hyperpolarisation des spins nucléaires. Dans ce contexte, le centre Neurospin à Saclay va bientôt accueillir un imageur par résonance magnétique de 11,75 Tesla pour l'homme.

Imagerie optique

Ce domaine regroupe plusieurs technologies. De nouveaux concepts sont élaborés pour s'affranchir de la forte diffusion de la lumière par les tissus, qu'il s'agisse de photons transmis au travers des tissus, rétrodiffusés (tomographie par cohérence optique) ou émis par des sources internes (imagerie de fluorescence). Les avancées récentes en imagerie optique non linéaire utilisent les contrastes endogènes et ouvrent de nouvelles possibilités d'exploration des tissus intacts à l'échelle subcellulaire.

Imagerie multimodale

Les méthodes multimodales permettent de tirer parti des avantages d'une modalité, et de pallier à ses défauts par l'utilisation d'une autre modalité pour obtenir des informations plus précises, plus quantitatives ou plus résolues dans l'espace. L'enjeu est d'utiliser au mieux l'approche multimodale dans le processus de création des images. La multimodalité permet notamment d'associer des méthodes d'imagerie métabolique et anatomique telles que le PET et l'IRM ou le PET et les rayons X, sans multiplier le temps d'examen pour le patient. Les détecteurs combinés TEP-IRM permettent d'acquérir simultanément des cartographies d'un grand nombre de paramètres moléculaires et fonctionnels, colocalisés avec des informations anatomiques de haute résolution. Un autre exemple d'imagerie multimodale est l'optoacoustique qui combine les avantages de l'optique (contraste) et de l'échographie (résolution, profondeur).

Magnéto-encéphalographie (MEG) et électroencéphalographie de haute résolution (EEG-HR)

Ces techniques se basent, respectivement, sur la mesure des champs magnétiques et électriques engendrés par l'activité des neurones. Elles se développent pour l'étude des fonctions cognitives, et bénéficient d'avancées technologiques telles que le développement des capteurs et de logiciels pour l'intégration des signaux.

Imagerie interventionnelle

Nous assistons au rapprochement et au couplage entre méthodes physiques de thérapie et imagerie, et au développement d'une instrumentation clinique dédiée (thérapies assistées par ultrasons, contrôlées par échographie ou par IRM). Ce type d'imagerie est un enjeu à la fois médical (meilleur contrôle de la thérapie), économique (limitation de la durée d'hospitalisation) et industriel (développement d'outils spécifiques). Différentes problématiques sont posées telles que, à titre d'exemple, la fusion en temps réel des modalités multiples d'imagerie tri-dimensionnelle, ou le développement d'une instrumentation compatible IRM.

2. Développements transversaux
Agents d'imagerie

Les progrès en imagerie médicale dépendent également, dans toutes les modalités, du développement d'agents d'imagerie pour la recherche pré-clinique, le diagnostic, la thérapie et le théranostique en recherche clinique. L'identification de nouvelles cibles, de nouveaux ligands, et de marqueurs unimodaux ou multimodaux représente en France un axe de recherche important. Il y a un fort lien entre la recherche en amont s'appuyant sur les nanotechnologies, et le développement de traceurs pour l'imagerie, la thérapie, et notamment leur utilisation en radiologie interventionnelle (ablation photothermique avec nanoparticules d'or couplées à l'imagerie photoacoustique, hyperthermie magnétique, nanoparticules sensibilisantes pour la radiothérapie visibles en IRM). Le développement de nouvelles sondes fondées sur les nanotechnologies offre de nouvelles perspectives. En dépit de cette recherche active, peu de nouveaux agents d'imagerie accèdent au marché.

Gestion des données, traitement du signal et de l'image

Le grand nombre de données produites par les modalités d'imagerie nécessite des progrès dans l'archivage et la gestion des données. D'autres développements concernent les méthodes d'analyse du signal et de l'image et la modélisation. Ce domaine est plus spécifiquement couvert par la section 7.

D. Atouts nationaux et enjeux

L'imagerie biomédicale est représentée en France par une cinquantaine d'équipes académiques des différents organismes de recherche. Cette communauté est reconnue internationalement, notamment dans le domaine de la méthodologie et de l'instrumentation. Elle bénéficie également des recherches de grande qualité effectuées en amont dans les domaines de la physique (détecteurs en physique nucléaire et optique, ultrasons, aimants supraconducteurs), des mathématiques, de l'informatique et de la chimie. Plusieurs actions structurantes au niveau national ont permis d'organiser la communauté, de favoriser les interactions, et de mettre à jour le parc d'instruments mi-lourds par les actions du GIS IBiSA, puis plus récemment celle des investissements d'avenir. Quelques grands projets ont été ainsi identifiés, qui ont favorisé l'accessibilité des équipements à la communauté (France Life Imaging, Cycéron, Aronax, IRM Synbio3). Ces actions ont permis de structurer les plateformes d'imagerie, en lien étroit avec des laboratoires adossés possédant des expertises diverses.

Les développements en nanomédecine de nouveaux agents d'imagerie ou théranostiques constituent également un point fort en France et sont fédérés à travers des programmes multidisciplinaires tels que Defi Nano au CNRS. Les laboratoires académiques ont lié des partenariats industriels (Guerbet, Supersonic Imagine, Biospace, Nanobiotix, NanoH..) avec un fort potentiel d'innovation. Plusieurs GDR structurent la communauté scientifique, et le transfert vers la valorisation s'opère avec des partenariats industriels et la création de jeunes pousses (agents d'Imagerie pour la recherche, instrumentation pour l'imagerie interventionnelle). La France participe aux réseaux européens existant.

Les enjeux actuels sont de renforcer l'interdisciplinarité et les interactions entre recherches fondamentale et appliquée, de favoriser les avancées technologiques et l'émergence de nouveaux concepts et leur transfert vers la biologie et la médecine. La valorisation et le transfert vers l'industrie doivent également être renforcés. En matière de formation et d'emploi il est à noter que la demande est forte en compétences, méthodes et instrumentation pour l'imagerie, aussi bien dans le secteur académique qu'industriel, et les filières de formation en imagerie médicale doivent être soutenues