Une équipe de chercheurs de l’Université de Virginie a mis au point une nouvelle méthode d’imagerie qui combine des aspects puissants de l’imagerie par résonance magnétique et de l’imagerie par rayons gamma.
Le professeur Gordon Cates et le docteur Wilson Miller avec l’appareil d’imagerie unique que l’équipe a construit dans son laboratoire. Crédit photo : Dan Addison / Université de Virginie.
La nouvelle technique d’imagerie, appelée imagerie nucléaire polarisée (PNI), a un potentiel pour de nouveaux types de diagnostics médicaux à haute résolution ainsi que pour des applications industrielles et de recherche en physique. Un article détaillant cette technique a été publié dans l’édition du 29 septembre 2016 de la revue. Nature.
” La PNI est une technique de plateforme vraiment cool qui a fondamentalement combiné l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la détection gamma “, a déclaré le premier auteur, le Dr Yuan Zheng, ancien étudiant diplômé de l’Université de Virginie.
L’IRM, qui est largement utilisée pour détecter le cancer et d’autres anomalies dans le corps, est efficace parce qu’elle utilise une variété de mécanismes de contraste pour trier des caractéristiques spécifiques dans une image.
De plus, les détecteurs de rayons gamma peuvent détecter des quantités minuscules de traceurs radioactifs, ce qui est essentiel pour localiser des points d’intérêt particuliers.
“L’IRM est très puissante pour manipuler les spins nucléaires et générer des images à haute résolution avec différents contrastes, mais elle a besoin de beaucoup de spins nucléaires pour produire un signal électromagnétique de radiofréquence suffisamment fort pour être détecté par les bobines de réception”, explique le Dr Zheng, qui travaille actuellement au département de radiologie de l’université de Stanford.
“Tout en conservant les avantages de l’IRM, la PNI remplace les bobines de réception traditionnelles par des détecteurs gamma, et mesure les rayons gamma émis par les traceurs nucléaires polarisés avec une sensibilité considérablement améliorée.”
“Avec la PNI, une quantité minuscule de traceurs radioactifs peut maintenant être imagée à la manière de l’IRM, produisant ainsi beaucoup plus d’informations diagnostiques que les techniques d’imagerie nucléaire actuelles.”
“Cette méthode rend possible une classe vraiment nouvelle, absolument différente, de diagnostics médicaux”, a ajouté le coauteur, le Dr Wilson Miller, professeur adjoint de radiologie et d’imagerie médicale à l’Université de Virginie.
“Nous combinons les avantages de l’utilisation de traceurs nucléaires hautement détectables avec la sensibilité spectrale et le pouvoir diagnostique des techniques d’IRM.”
Le Dr Zheng a déclaré : “L’IRM est presque toujours liée à un équipement énorme. Cela est dû au fait que le rapport signal/bruit du signal IRM dépend de l’intensité du champ magnétique de maintien.”
“Des aimants supraconducteurs coûteux et encombrants sont généralement utilisés pour fournir ce champ. En outre, les ondes électromagnétiques de radiofréquence provenant de toutes sortes de sources quotidiennes (comme les stations de radio) peuvent interférer avec les scans IRM et créer des artefacts dans les images diagnostiques. C’est pourquoi l’IRM est généralement effectuée dans une salle de scanner bien blindée afin de se débarrasser des signaux RF indésirables.”
“Avec la PNI, les choses sont tout à fait différentes. Le rapport signal/bruit est indépendant de l’intensité du champ de maintien, donc les aimants supraconducteurs peuvent maintenant être remplacés par des solénoïdes bon marché et légers, tout comme ce que nous avons fait dans notre laboratoire.”
“De plus, la PNI dépend de la détection des rayons gamma au lieu des signaux de radiofréquence, ce qui rend le blindage RF moins critique. Il est donc possible de faire du scanner PNI un équipement portable, et les examens n’ont pas besoin d’être effectués dans des salles spécialement blindées.”
Le PNI utilise la résonance magnétique pour obtenir les informations spatiales, puis collecte les informations de l’image en détectant les rayons gamma produits par le matériau traceur – un isotope du xénon Xe-131m.
“Contrairement à l’IRM, qui détecte de faibles ondes radio, nous détectons les rayons gamma émis par l’isotope du xénon”, explique l’auteur principal, le Dr Gordon Cates, professeur de physique à l’Université de Virginie.
“Puisqu’il est possible de détecter un rayon gamma provenant même d’un seul atome, nous obtenons une augmentation énorme de la sensibilité de l’imagerie, et nous réduisons considérablement la quantité de matériel nécessaire pour réaliser les techniques de résonance magnétique.”
“Nous avons choisi l’isotope métastable Xe-131m principalement parce qu’il s’agit du sous-produit de désintégration de l’I-131 disponible dans le commerce (un isotope radioactif de l’iode à usage médical) et qu’il est donc facilement disponible pour nous”, a ajouté le Dr Zheng.
Exemple d’imagerie nucléaire polarisée. À gauche : image d’environ 1 millicurie de Xe-131m obtenue en combinant des techniques de résonance magnétique avec la détection de rayons gamma. L’image est une projection 2D comprenant 32 x 32 pixels, chacun de 3 x 3 mm, et interpolée à 64 x 64 pixels pour l’affichage. À droite : une photographie de la cellule de verre scellée, en forme de caractère chinois signifiant ” milieu “, dans laquelle se trouvait l’échantillon de Xe-131m. Crédit image : Yuan Zheng et al.
L’équipe a démontré la faisabilité de la PNI en produisant des images et des spectres à partir d’une cellule de verre ne contenant qu’environ 4 x 1013 atomes de Xe-131m.
“Nous avons démontré la faisabilité de la nouvelle technique en produisant une image de preuve de principe d’une manière jamais accomplie auparavant”, a noté le professeur Cates.
Les chercheurs pensent que la technique, une fois perfectionnée, pourrait fournir un nouveau moyen relativement peu coûteux de visualiser l’espace gazeux des poumons en demandant aux patients d’inhaler un gaz contenant les isotopes et en utilisant la PNI pour produire une image. La méthode pourrait également permettre de visualiser des zones ciblées du corps en injectant des isotopes dans la circulation sanguine.
Étant donné que la PNI utiliserait de si petites quantités de traceurs, la radioactivité ne présenterait que peu ou pas de danger pour les personnes en cas d’utilisation médicale.
“Cette technique n’en est qu’à ses débuts et il est difficile de prédire exactement ce que sera le futur diagnostic médical, mais nous pensons que la dose radioactive pour un examen PNI sera comparable à celle d’autres techniques d’imagerie nucléaire comme la tomographie par émission de positrons (PET)”, a déclaré le Dr Zheng.
“Des travaux considérables doivent encore être effectués pour démontrer l’utilité de cette nouvelle technique chez des sujets vivants, mais cette approche unique représente une nouvelle technologie passionnante”, ont déclaré les scientifiques.
“Pour la développer en vue d’une utilisation pratique, il faudrait augmenter la taille des détecteurs ou les quantités de matériau traceur, et nous recherchons d’autres isotopes radioactifs qui conserveraient leur polarisation une fois à l’intérieur d’un sujet vivant.”
“Le Xe-131m n’est pas le seul isotope convenant à l’IPN”, a expliqué le Dr Zheng.
“En fait, de nombreux isotopes radioactifs peuvent en principe être utilisés pour la PNI, et certains d’entre eux peuvent avoir des propriétés plus favorables que le Xe-131m, comme le Kr-79m et le Xe-127m, qui ont des demi-vies plus courtes et des rapports de branchement plus importants pour produire les rayons gamma d’intérêt.”
