Technologie — L’élastographie : cartographier le corps humain

Antony Bertrand-Grenier — Programme de doctorat en physique médicale

Technologie — L’élastographie : cartographier le corps humain

Est-il possible de détecter des maladies par leurs propriétés mécaniques ? Existe-t-il des variables biomécaniques que nous pourrions mesurer afin de diagnostiquer ces maladies ? L’imagerie par élastographie répond par l’affirmative à ces deux questions. Les avancées récentes en imagerie médicale ont, en effet, permis l’élaboration de cette technique permettant d’accéder à de nouveaux renseignements pour les diagnostics cliniques, plus particulièrement en cancérologie et dans l’étude des maladies cardiovasculaires.

L’un des plus vieux concepts en médecine est le principe de la palpation, décrit par Hippocrate dans la Grèce antique il y a plus de 2 000 ans. Cette méthode est encore utilisée de nos jours afin d’obtenir une évaluation subjective de la rigidité des tissus*, plus particulièrement pour trouver des nodules* ou des kystes*, par exemple dans la détection d’un cancer du sein, de la prostate ou de la thyroïde. Toutefois, la palpation effectuée par le médecin est d’une efficacité limitée, étant donné qu’elle fournit des informations superficielles et qu’elle ne relève que des anomalies de taille relativement importante, ce qui indique malheureusement déjà un stade avancé de la maladie. De plus, palper le corps d’un patient ne permet pas d’accéder à des renseignements quantitatifs précis sur les tissus.

L’élasticité est la capacité d’un corps à reprendre son état d’origine après avoir été déformé. Les propriétés élastiques changent en présence de certaines pathologies[1]. Les informations au sujet de l’élasticité  — plus rigoureuses que celles que fournit la palpation — sont d’une importance fondamentale en milieu clinique, car elles peuvent mener à de meilleurs diagnostics pour des patients atteints de certaines maladies.

Avant les années 1990, aucune technologie d’imagerie médicale ne permettait d’obtenir une représentation visuelle intelligible de l’élasticité des tissus. La conception d’une nouvelle technique d’imagerie permettant d’accéder à ces informations mécaniques était donc de mise. C’est maintenant chose faite grâce à de récents développements dans le domaine médical, lesquels ont permis de mettre en œuvre l’élastographie, un procédé pouvant donner accès à ces données essentielles.

Origines et petite histoire de l’élastographie

L’élastographie voit le jour à l’Université du Texas à Houston, en 1991[2]. Deux méthodes principales ont d’abord été développées avec l’échographie* : l’élastographie statique et l’élastographie dynamique. Plus récemment, une troisième méthode a été proposée afin de mesurer l’élasticité des tissus à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique (IRM).

La première technique, l’élastographie statique ultrasonore, permet d’estimer les déformations d’un tissu en appliquant une légère pression sur le corps du patient[3]. Dans un premier temps, une imagerie échographique du corps est réalisée sans le comprimer, puis celui-ci fait l’objet de nouvelles images alors qu’un médecin applique une légère pression à l’aide d’une sonde ultrasonore.

La figure 1 montre trois objets de même volume mais de différentes rigidités soumis à une pression. Elle représente, en deux graphiques, les déplacements engendrés entre les images échographiques saisies avant et après l’application de la pression, et la déformation des objets. Plus un objet est rigide, moins il changera de forme. Grâce à ce principe, l’élastographie statique fournit des informations sur la rigidité des objets.


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Malheureusement, cette technique ne donne que des informations qualitatives, puisqu’il est difficile de déterminer la pression exacte qu’applique le médecin avec la sonde. De plus, les tissus ne se déforment pas de façon homogène en profondeur. C’est pour résoudre ces problèmes qu’a été développée l’élastographie dynamique vers la fin des années 1990[4]. Cette nouvelle technologie allait, en effet, permettre d’obtenir des renseignements quantitatifs, plus particulièrement sur l’organisation structurelle et la composition des tissus[5].

Pour trouver ces valeurs quantitatives et calculer la rigidité d’un corps, la procédure de l’élastographie dynamique implique de concentrer des ultrasons* en un point, ce qui tend à déplacer les tissus[6], comme en témoigne la figure 2. Les tissus bougent alors dans le corps à la manière d’une vague. Par la suite, la sonde ultrasonore détecte ces vagues et en mesure la vitesse, qui est transposée en images. La rigidité du corps est donc calculée à partir de la mesure de la vitesse obtenue[7].

Bertrand-GrenierA_Elastographie_V1_Figure2

Figure 2. Description de la procédure de l’élastographie dynamique, se lisant de gauche à droite. La focalisation d’ondes ultrasonores engendre des déplacements dans les tissus. Ces déplacements se propagent à une certaine vitesse. La sonde mesure la vitesse de ces déplacements, ce qui permet de déterminer la rigidité du corps.

Grâce à une large gamme de valeurs, l’élastographie dynamique offre une meilleure visualisation des tissus et des changements structurels. En milieu clinique, cette information est d’une grande importance afin d’émettre un diagnostic fiable en présence d’une pathologie ou encore d’effectuer un suivi plus approprié au cours de traitements thérapeutiques. Plusieurs avantages distinguent l’élastographie ultrasonore dynamique des autres techniques (coût peu élevé, imagerie en temps réel et caractère inoffensif pour le patient). Toutefois, certains inconvénients ne peuvent être niés. Les ultrasons sont fortement absorbés par les os, ce qui rend impossible l’obtention de bonnes informations élastographiques de la tête, le crâne absorbant ces ondes. De plus, les résultats de ces examens cliniques dépendent de l’expérience et de la rigueur de l’opérateur des machines, car ces dernières ne sont pas automatisées, à l’inverse de l’IRM classique.

Explorations mécaniques des tissus à l’aide d’un champ magnétique intense

Une autre technique pour recueillir de l’information sur les propriétés mécaniques des tissus est l’IRM. Cette méthode d’imagerie médicale utilise un champ magnétique intense pour obtenir un bon contraste entre les tissus mous*[8], ce qui facilite la visualisation du corps humain dans toute sa profondeur. L’élastographie par IRM consiste à mettre un vibreur sur le patient afin d’engendrer des mouvements continus dans son corps. Par la suite, l’appareil à résonance magnétique, illustré à la figure 3, mesure la vitesse de ces mouvements[9].

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Figure 3. Représentation du dispositif clinique de l’élastographie par IRM. La boîte électronique envoie un signal au vibreur, qui induit des déplacements de tissus dans le corps du patient. Par la suite, l’appareil IRM mesure la vitesse de ces déplacements — et donc la rigité du corps — et la transforme en images.

Le plus grand avantage de l’élastographie par IRM est de fournir une représentation des déplacements en trois dimensions, ce qui constitue un intérêt majeur pour préciser les diagnostics des maladies. Cette technique est toutefois plus lente que celle qui emploie les ultrasons. Il faut, en effet, plusieurs minutes pour obtenir des images en trois dimensions de bonne qualité, ce qui diminue le nombre de patients qu’il est possible d’examiner avec un même appareil, dont les coûts d’achat et d’utilisation demeurent élevés.

Perspectives technologiques et innovations médicales

Somme toute, les techniques d’élastographie reposent sur la caractérisation tissulaire, soit le fait de « cartographier » l’élasticité des tissus. Elles ont d’abord été conçues pour obtenir de meilleurs diagnostics concernant deux des causes de mortalité les plus élevées au monde, soit le cancer et les maladies cardiovasculaires. De nos jours, l’élastographie augmente les perspectives de découvertes et favorise les progrès relatifs à ces maladies. Pour ce qui est du cancer, des techniques d’imagerie médicale comme l’échographie et la mammographie ne permettent pas de bien estimer la bénignité* ou la malignité* d’une tumeur. Une ponction peut donc être nécessaire afin de déterminer la sévérité de cette tumeur, ce qui est pénible pour le patient et coûteux. Les tumeurs cancéreuses malignes sont généralement plus rigides que les tissus sains environnants, une information primordiale pour le diagnostic clinique[10]. Or, avec l’élastographie, il est maintenant possible d’observer l’élasticité des tumeurs cancéreuses, ce qui est fortement souhaitable pour leur détection et pour la classification des lésions selon leur caractère bénin ou malin.  L’élastographie ultrasonore présente pour sa part un grand potentiel, surtout dans la détection des cancers du sein, de la thyroïde et de la prostate, car les ultrasons peuvent bien se propager dans ces tissus. Pour ce qui est de l’élastographie par IRM, elle offre d’excellents résultats, plus particulièrement en ce qui a trait à l’imagerie du cerveau. La figure 4 montre d’ailleurs l’élasticité d’un cerveau humain, par les images d’une IRM classique et d’une élastographie par IRM.

 

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Figure 4. Exemple d’une carte de rigidité des tissus dans le cerveau humain. A) IRM classique. B) Élastographie par IRM. L’échelle de couleur passe du bleu (moins rigide) au rouge (plus rigide), en passant par le vert.

Les maladies cardiovasculaires, quant à elles, impliquent un changement de certaines propriétés biomécaniques du corps. L’athérosclérose, caractérisée par le dépôt de gras sur les parois vasculaires, est à l’origine de la plupart de ces maladies[11]. La circulation du sang, qui transporte les substances nutritives et l’oxygène, se trouve alors ralentie ou bloquée, ce qui engendre un changement de l’élasticité des vaisseaux sanguins. L’athérosclérose peut survenir dès l’enfance et est un problème pouvant déclencher une crise cardiaque ou un accident vasculaire cérébral, ou même causer la formation d’un anévrisme*. Elle est une véritable préoccupation en matière de santé publique, et c’est pourquoi il est souhaitable de constamment mettre au point de nouveaux outils de diagnostic, comme l’imagerie par élastographie.

Les nouvelles données acquises par élastographie pourraient non seulement améliorer les diagnostics, mais aussi contribuer à la planification de traitements chirurgicaux[12]. Un médecin qui connaîtrait exactement la consistance d’une tumeur procéderait plus facilement à une chirurgie. Ainsi, celle-ci durerait moins longtemps, le patient serait moins incommodé, et il y aurait une atténuation des risques de complications ou de dommages aux tissus avoisinants.

Lexique

Anévrisme : dilatation d’une artère pouvant mener à sa rupture.

Bénignité : caractère de ce qui est bénin, soit sans conséquence.

Échographie : méthode d’exploration par ultrasons.

Kyste : cavité pathologique contenant une substance liquide ou semi-liquide, molle ou solide.

Malignité : caractère malin (grave) d’une tumeur cancéreuse.

Nodule : petite tumeur en forme de boule dure et bien délimitée.

Tissu : ensemble de cellules formant un tout et remplissant une fonction spécialisée.

Tissu mou : tissu supportant les organes et les structures du corps (p. ex., muscles, vaisseaux sanguins).

Ultrason : onde sonore de fréquence plus élevée que ce que l’oreille humaine peut entendre.

 



[1] SARVAZYAN, A. P., A. R. SKOVORODA, S. Y. EMELIANOV, J. B. FOWLKES, J. G. PIPE, R. S. ADLER et collab. « Biophysical bases of elasticity imaging », Acoustical Imaging Symposium, vol. 21, 1995, p. 223-240.

[2] OPHIR, J., I. CESPEDES, H. PONNEKANTI, Y. YAZDI et X. LI. « Elastography: A quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues », Ultrasonic Imaging, vol. 13, no 2, 1991, p. 111-134.

OPHIR, J., S.K. ALAM, B. GARRA, F. KALLEL, E. KONOFAGOU, T. KROUSKOP et collab. « Elastography: Ultrasonic estimation and imaging of the elastic properties of tissues », Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers [H.], vol. 213, no 3, 1999, p. 203-233.

[3] OPHIR et collab., 1991, op. cit.

[4] SARVAZYAN, A. P., O. V. RUDENKO, S. D. SWANSON, J. B. FOWLKES et S. Y. EMELIANOV. « Shear wave elasticity imaging: A new ultrasonic technology of medical diagnostics », Ultrasound in Medicine & Biology, vol. 24, 1998, p. 1419-1435.

[5] SATO, T., A. FUKUSIMA, N. ICHIDA, H. ISHIKAWA, H. MIWA, Y. IGARASHI et collab. « Nonlinear parameter tomography system using counterprop agating probe and pump waves », Ultrasonic Imaging, vol. 7, no 1, 1985, p. 49-59.

[6] SARVAZYAN et collab., op. cit.

[7] HIBBELER, R. C. Mechanics of Materials, 8e éd., Champaign (Ill.), Pearson Education, 2008, p. 84-125.

[8] BUSHBERG, Jerrold T., J. Anthony SEIBERT, Edwin M. LEIDHOLDT et John M. BOONE. The Essential Physics of Medical Imaging, 2e édition, Philadelphie (Penns.), Lippincott Williams & Wilkins, 2003, p. 415-468.

[9] TANTER, Mickael, Jérémy BERCOFF, Ralph SINKUS, Thomas DEFFIEUX, Jean-Luc GENNISSON et Mathias FINK. « L’élastographie par ultrasons ou résonance magnétique : de nouveaux outils de diagnostic en cancérologie », Médecine nucléaire, vol. 31, no 4, 2007, p. 132-141.

[10] TANTER et collab., op. cit.

[11] TOUSSAINT, Jean-François, Marie-Paule JACOB, Laurent LAGROST et John CHAPMAN. L’athérosclérose : physiopathologie, diagnostics et thérapeutiques, Paris, Société française d’athérosclérose, 2003.

[12] CONSEIL NATIONAL DE RECHERCHES DU Canada. « Gratouiller la matière grise », http://www.nrc-cnrc.gc.ca/fra/dimensions/numero5/cervelle.html, 14 décembre 2010.

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