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Photo of Forouz Mahdinezhad, Kevin Brown, Joe LoVetri, Nasim Abdollahi, Max Hughson and Nicholas GeddertRecherche
Imaginez ceci
Des chercheurs de l'Université du Manitoba
travaillent à la création du premier appareil
d'imagerie diagnostique par micro-ondes au
monde, un outil qui pourrait changer la façon
dont nous dépistons et traitons les maladies
Forouz Mahdinezhad, Kevin Brown, Joe LoVetri, Nasim Abdollahi, Max Hughson et Nicholas Geddert.
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Par Joel Schlesinger
Mai/Juin 2018

Les chiffres au tableau blanc racontent une histoire intéressante, même si peu de gens peuvent la comprendre.

Griffonnées d'une façon qui semble un peu désordonnée, ces équations correspondent aux calculs d'une équipe de chercheurs qui travaillent à dévoiler un mystère en mathématiques qui a confondu les scientifiques du monde entier.

Si elle résout le problème, l'équipe de l'Université du Manitoba (U du M), dirigée par le professeur Joe LoVetri du département de génie électrique et informatique, aura réussi une avancée vraiment remarquable. Elle aura compris comment « harnacher » les micro-ondes pour créer un outil d'imagerie diagnostique tout nouveau, qui pourrait révolutionner la façon dont nous dépistons et traitons différentes maladies, surtout le cancer du sein.

Ce genre de dispositif, explique le Pr LoVetri, serait aussi utile que les rayons X ou le CT scan (tomodensitométrie) pour diagnostiquer et surveiller les tumeurs, mais à une fraction du coût et sans les risques que posent d'autres appareils.

Je pense que nous sommes très proches du but, explique LoVetri, qui travaille au projet depuis plus d'une décennie. Nous pourrions commencer un essai clinique d'ici un an », parlant d'une possible série d'essais du nouvel appareil avec un ou plusieurs patients.

Photo of a prototype of a resonant chamber

Le potentiel des travaux effectués par le Pr LoVetri et son équipe n'est pas passé inaperçu sur le plan du soutien financier. Le professeur a récemment obtenu environ 400 000 $ de la Fondation canadienne pour l'innovation, et autant de la Société Recherche Manitoba. Au cours des dernières années, des sommes additionnelles - de l'ordre de quelques millions de dollars - ont été versées par d'autres organismes de financement fédéraux, ainsi que d'une petite firme de développement de technologies sur mesure basée à Winnipeg, la 151 Research.

La notion que les micro-ondes (ou hyperfréquences) puissent servir en imagerie médicale est étudiée depuis un bon bout de temps. Le problème, c'est que tandis qu'on utilise l'énergie électromagnétique des micro-ondes depuis longtemps dans de nombreuses applications, comme les fours à micro-ondes et les téléphones cellulaires, personne n'a réussi à trouver comment transformer les signaux des micro-ondes envoyés à travers le corps en une image utilisable pour des fins médicales.

Mais M. LoVetri et son équipe pourraient bien changer cela. Pour y arriver, ils ont déjà bâti un prototype d'appareil et l'ont testé sur des modèles imitant les tissus humains. Mais ils doivent encore trouver comment améliorer la précision et la résolution des images générées à partir des signaux de micro-ondes.

C'est là que tous ces calculs complexes au tableau entrent en ligne de compte.

Ils font partie des travaux récents de l'équipe visant à raffiner un algorithme - un procédé mathématique utilisé dans les logiciels informatiques - pour transformer les données recueillies par des faisceaux d'énergie électromagnétique en une image précise à haute résolution des tissus humains.

Dans le cadre de ces efforts, l'équipe tente de créer une image d'un « sein fantôme » qui montre les liquides et des solides gélatineux représentant les tissus qui forment réellement le sein : les graisses, la peau, la matière fibro-glandulaire et les kystes, mais surtout les tumeurs.

« Le meilleur moyen d'expliquer notre appareil est de le comparer à une tomographie par ordinateur (CT scan), explique le Pr LoVetri. Cette technologie utilise un faisceau étroit de rayonnement ionisant pour recueillir des données - un « tas » de chiffres qui correspondent essentiellement au déplacement du faisceau à travers un objet - et de traduire cette information en images.

La tomodensitométrie (ou CT-scan), une innovation qui a valu un prix Nobel à son créateur dans les années 1970, a changé la pratique médicale en permettant aux médecins d'avoir une vue en coupe (transversale) de l'intérieur du corps, ce qui a grandement accru les possibilités de voir les divers tissus et de repérer des tumeurs.

« Cette découverte a révolutionné l'imagerie médicale car avant la tomographie par ordinateur, on n'avait qu'une image d'ombres en différentes teintes de gris (rayons X) de l'intérieur du corps, et l'on savait que certaines ombres correspondaient à différents types de tissus situés quelque part dans le corps. »

Les technologies d'imagerie comme les rayons X, les ultrasons, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positrons (TEP) ont amélioré notre capacité à détecter des blessures et des maladies, mais certaines restrictions s'appliquent et il y a des risques pour la santé.

Photo of Professor Ian Jeffrey with students Forouz Mahdinezhad, Hannah Fogel, Mohammad Asefi and Pedram Mojabi
Le professeur Ian Jeffrey (deuxième à partir de la gauche) avec les étudiants Forouz Mahdinezhad (à gauche), Hannah Fogel, Mohammad Asefi et Pedram Mojabi.

Selon le professeur LoVetri, les meilleurs outils diagnostiques disponibles de nos jours pour le diagnostic du cancer - la TEP, l'IRM et la tomodensitométrie - sont moins accessibles à cause de leur coût élevé. Chacun de ces appareils peut valoir entre un million et 10 millions de dollars, un facteur qui explique la longueur des listes d'attente. En comparaison, un scanneur en hyperfréquences (micro-ondes) pourrait coûter quelques centaines de milliers de dollars et pourrait être portable. En plus de coûter moins cher à l'utilisation, les micro-ondes sont aussi plus sécuritaires.

« Les micro-ondes et les ondes radioélectriques sont similaires, sauf que les ondes électromagnétiques ont des longueurs d'ondes différentes, explique M. LoVetri. L'énergie en jeu dans un four à micro-ondes est une énergie électromagnétique qui sert à chauffer les aliments; sa fréquence est à peu près la même que celle utilisée par un téléphone cellulaire pour émettre et recevoir des données par le biais d'une tour de communications, et elle n'est pas dangereuse sauf si la puissance est au plus fort (à high).

Les micro-ondes font vibrer les molécules, ce qui peut créer de la chaleur, donc une exposition trop importante peut causer une brûlure. Mais contrairement au rayonnement ionisant émis par les rayons X, le CT-scan, la TEP et parfois le colorant de contraste utilisé en IRM, les micro-ondes ne causent pas de dommages à l'ADN, précise LoVetri.

« Il suffit d'un petit peu de l'énergie du rayonnement ionisant… pour briser l'ADN, et ensuite, c'est une question de probabilité statistique si même une seule molécule d'ADN sera brisée d'une façon qui peut causer une mutation dans la cellule et la rendra cancéreuse. »

M. LoVetri s'est intéressé pour la première fois aux recherches sur les micro-ondes en 1997, lorsqu'il était aux Pays-Bas pendant un congé sabbatique de l'University of Western Ontario. À l'époque, il travaillait sur un projet visant à déterminer comment utiliser les micro-ondes pour détecter des mines terrestres.

« Imaginez son potentiel pour le dépistage et le traitement du cancer du sein »

« Finalement, j'ai constaté que les micro-ondes étaient un sujet d'étude assez cool. Je ne peux pas dire que j'étais emballé; j'ai juste trouvé ça intéressant. »

Au début des années 2000, quand il est entré à l'U de M, il a commencé à travailler au développement de la technologie d'imagerie diagnostique. C'était un défi de taille! Pendant des décennies, d'autres chercheurs avaient essayé de traduire ce concept très théorique en un outil diagnostique utilisable par les cliniciens.

Joe LoVetri a imaginé construire un appareil qui pourrait servir à dépister diverses maladies, comme le cancer du sein. Mais il a compris également que la technologie utilisant les micro-ondes pouvait servir à suivre plus souvent les progrès de patientes durant le traitement, une avancée qui aiderait à améliorer les soins.

Par exemple, une patiente qui suit une chimiothérapie pendant 12 semaines pour un cancer du sein présentement ne passe pas de tomodensitométrie durant le traitement pour déterminer si la chimio est efficace parce que l'équipement est trop rare et coûte trop cher pour cet examen, sans parler évidemment de l'exposition supplémentaire à des radiations nocives.

« Alors, ce qui se fait maintenant, c'est que le médecin attend après 12 semaines de traitement pour voir s'il fonctionne; cela veut dire que la patiente pourrait subir pendant 3 mois une chimiothérapie qui est inefficace » explique le Pr LoVetri. Ou peut-être que la thérapie fonctionne très bien, mais qu'on aurait pu écourter ou accélérer le traitement, ou encore modifier le dosage. »

Avec la technologie à base de micro-ondes, le suivi de ces patientes pourrait être réalisé plus souvent. Et cette technologie comporte un avantage sur le plan diagnostique car elle permet de distinguer avec certitude s'il s'agit d'une tumeur et d'autres tissus, comme un kyste, ce que les autres technologies ne peuvent pas toujours faire.

Alors pourquoi cette technologie n'est-elle pas encore appliquée aux soins de santé?

« Le problème est que les micro-ondes ont une très grande longueur d'ondes, donc quand on construit un émetteur de micro-ondes, les ondes se dispersent autour des molécules, tandis que les ondes courtes [hyperfréquences] comme les rayons ionisants vont dans des directions précises », explique M. LoVetri.

Cela signifie que les micro-ondes génèrent une foule de bruits parasites qui doivent être triés grâce à un algorithme mathématique pour garder les informations signifiantes. Mais c'est plus facile à dire qu'à faire. Des scientifiques du début des années 1970 ont compris les principes, ajoute LoVetri, mais il fallait que les mathématiciens les traduisent en équations utilisables.

« Ces travaux ont ciblé le développement d'un algorithme qui pourrait résoudre ce qu'on appelle un problème inverse non linéaire mal posé. Avec un problème inverse, on sait connaît les ondes qu'on envoie et les signaux qu'on reçoit, mais on ne sait pas ce qui se passe entre les deux. D'un point de vue mathématique, c'est un problème bien plus difficile à résoudre parce qu'il peut y avoir plus d'un changement que l'onde a subie pour aboutir aux mêmes données résultantes.

Photo of a "phantom breast" being dropped into the prototype of the resonant chamber
Un étudiant se prépare à placer le substrat de « sein fantôme » dans le prototype de la chambre de résonance.

Finalement, des mathématiciens ont découvert des façons de gérer le problème et ont créé les algorithmes requis, mais seulement pour des applications industrielles. L'algorithme pour usage médical continuait de nous échapper.

Comme avec d'autres chercheurs du domaine, Joe LoVetri a continué de travailler sur le problème, faisant des progrès lents mais constants. Puis il a vu une percée, son équipe ayant remarqué un algorithme utilisé par les compagnies pétrolières et gazières pour l'exploration du pétrole.

Ainsi, en 2008, l'un des étudiants au doctorat du Pr LoVetri à l'Université du Manitoba, Colin Gilmore, a fait un stage d'été au Schlumberger-Doll Research Center à Boston, où il a étudié les algorithmes que le Centre utilise pour créer des images en subsurface de données mesurées à partir d'ondes sismiques. L'algorithme a été ensuite peaufiné et adapté à des applications d'imagerie biomédicale par d'autres doctorants, comme Puyan Mojabi et Ian Jeffrey, qui sont maintenant tous les deux professeurs à l'Université.

« Cette avancée nous a menés [notre équipe de recherche] au point où nous pouvions penser à bâtir des systèmes concrets pour recueillir les données et faire l'essai de l'algorithme, explique LoVetri ».

Au cœur de tout ce travail est le prototype, un appareil que LoVetri appelle une « chambre d'imagerie en résonance ». Il s'agit essentiellement d'une grande enceinte métallique ouverte sur les côtés qui a été insérée dans une ouverture dans la table. À l'intérieur de l'enceinte, quelques dizaines d'antennes sont attachées à des câbles de l'extérieur, qui les relient à un émetteur-récepteur de micro-ondes.

« Nous sommes les seuls dans le monde à utiliser une chambre de résonance », explique LoVetri.

Pour faire le test, la patiente est couchée sur le ventre et l'on insère le sein dans l'ouverture de la chambre. Une antenne émet alors des micro-ondes, qui sont reçues par toutes les autres antennes de la chambre.

Avec le bon algorithme, l'information recueillie ainsi peut servir à produire une image à code couleur des tissus dans le sein. Chaque couleur de l'image correspond à la « constante diélectrique » du tissu. [La constante diélectrique est la permittivité électrique relative mesurée d'une substance. Les différents tissus ont leur propre constante diélectrique.]

C'est la clé des diagnostics aux micro-ondes, selon le Pr LoVetri.

Les graisses, les muscles, les tissus fibro-glandulaires, les tumeurs et les kystes ont tous des valeurs uniques. « Donc si l'on crée une image qui montre, au moyen de codes de couleurs, une partie de l'image qui a une constante diélectrique de 60 et l'autre, de cinq, on sait que c'est une tumeur parce que les tumeurs ont une constante diélectrique de 60, alors que la constante des graisses est cinq. Cela nous donne donc une image dite quantitative qui est très révélatrice. »

En revanche, une IRM ou un CT-scan fournissent habituellement une image non quantitative achromatique (en tons de gris) dont l'interprétation doit être faite par un radiologue chevronné pour déterminer si une forme en gris est une tumeur. M. LoVetri ajoute que pour appliquer ces techniques d'imagerie plus quantitatives, il faut souvent injecter un colorant radioactif de contraste dans les tissus qui permet de les différencier, mais on peut déjà y arriver avec la constante diélectrique des tissus.

Photo of Nasim Abdollahi, Cameron Kaye, Joe LoVetri, Tamanna Eini Keleshteri, Amir Ghasemi and Vahab Khoshdel
Des chercheurs de l'U du M montrent le prototype d'imagerie numérique à micro-ondes. De gauche à droite : Nasim Abdollahi, Cameron Kaye, Joe LoVetri, Tamanna Eini Keleshteri, Amir Ghasemi et Vahab Khoshdel.

Joe LoVetri et son équipe continuent de peaufiner cet algorithme, mais ils collaborent aussi avec un deuxième groupe de chercheurs pour résoudre un autre problème inhérent à la technologie des micro-ondes.

Comme il l'explique, les micro-ondes produisent des images à faible résolution, donc il est possible de voir une tumeur mais on ne peut déterminer précisément sa géométrie et sa taille. En outre, avec les micro-ondes seules, on peut difficilement détecter des petites tumeurs aux premiers stades, qui peuvent facilement passer inaperçues.

Pour contourner cet obstacle, l'équipe de l'U du M a récemment créé un partenariat avec des chercheurs de l'Université de Calgary pour développer un outil diagnostique bimodal utilisant une superposition d'images obtenues par ultrasons produisant des images à haute résolution.

« La technologie aux ultrasons est beaucoup moins coûteuse que l'IRM, donc si l'on arrive à développer une technologie bimodale ultrasons-micro-ondes dans un même appareil, ce serait vraiment révolutionnaire, affirme-t-il. Personne d'autre ne fait ça sauf nous, avec l'aide de nos collègues de Calgary. »

« Les ultrasons coûtent beaucoup moins cher que l'IRM, donc si l'on peut créer une technologie bimodale avec ultrasons et micro-ondes dans un même appareil, ce serait vraiment révolutionnaire. »

Le professeur LoVetri fait remarquer que la technologie des micro-ondes développée par l'U du M peut être utilisée dans d'autres domaines que la médecine. Par exemple, la firme 151 Research a obtenu le brevet d'une technologie permettant de surveiller le taux d'humidité dans les compartiments à grain, où il n'est pas nécessaire d'avoir une haute résolution mais où la détection de la présence d'humidité est primordiale.

« Cette compagnie commencera à tirer des revenus de son imagerie des compartiments à grain et cela aidera en bout de ligne à la commercialisation de la technologie pour des fins médicales, selon M. LoVetri. »

Entretemps, les travaux se poursuivent sur les algorithmes jusqu'à présent insaisissables et les systèmes de collecte de données qui permettront d'harnacher la puissance des micro-ondes pour l'appliquer dans le milieu des soins de santé.

« Imaginez le potentiel de cette technologie pour le dépistage et le traitement du cancer du sein, explique le Pr LoVetri. Il est impossible de faire toutes les semaines un suivi de toutes les femmes traitées à Winnipeg présentement en utilisant l'IRM, mais avec la technologie des micro-ondes, on pourrait le faire. »

Joel Schlesinger est un rédacteur de Winnipeg.

À propos de la Société Recherche Manitoba

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Relevant du ministre de la Croissance, de l'Entreprise et du Commerce, la Société Recherche Manitoba dispose d'un budget annuel de 15 millions de dollars et soutient des chercheurs dans les domaines de la santé, des sciences naturelles, des sciences sociales, du génie et des sciences humaines.

Ce soutien est offert sous forme de subventions et de programmes visant à aider des chercheurs en début ou en milieu de carrière. De plus, la Société Recherche Manitoba contribue à rémunérer des stagiaires dans le cadre de divers partenariats et bourses de recherche.

Pour en savoir plus sur la Société Recherche Manitoba et sur le soutien accordé au milieu de la recherche au Manitoba, visitez le site www.researchmanitoba.ca.