Human Organ Atlas : améliorer l’imagerie grâce aux données synchrotron

Obtenir une vue 3D complète d’un organe à la résolution du micron, soit cinquante fois plus petit qu’un cheveu humain, c’est la promesse réalisée par le projet Human Organ Atlas. Débuté en 2020, il vise à créer une base de données d’images scientifiques de tous les organes (Human Organ Atlas Hub) accessibles à des équipes internationales de chercheurs. Le projet voit le jour grâce à Maximilian Ackermann et Danny Jonigk, deux médecins anatomopathologistes allemands, qui s’interrogent sur les lésions pulmonaires liées au Covid-19. “Pour comprendre ces lésions, leur idée était de comparer ce qu’ils observaient au microscope électronique à balayage et sur les scanners médicaux de personnes atteintes du Covid. Faire le lien entre les échelles est impossible car si le scanner médical permet d’obtenir une image en 3D, sa résolution est équivalente à un demi-millimètre, tandis que le microscope est beaucoup plus précis mais ne permet pas d’obtenir une image en 3D”, explique Paul Tafforeau, paléontologue de formation, responsable de la ligne de lumière BM18 (un des laboratoires spécialisés, ndlr) à l’Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF) de Grenoble et coproposeur du projet Human Organ Atlas. Afin de permettre l’imagerie à haute résolution de ces poumons, les deux médecins contactent Peter Lee et Claire Walsh de l’University College London. L’ESRF ainsi que le Laboratoire d’Anatomie des Alpes Françaises (LADAF) de l’Université Grenoble Alpes complètent, notamment, ce consortium international. Le LADAF, habilité à recevoir des dons de corps pour la science, fournit les organes contrôles ou pathologiques nécessaires au projet. 

Une vue 3D complète d’un organe à l’échelle du micron

Grâce à une nouvelle technique d’imagerie à rayons X synchrotron, également appelée tomographie à contraste de phase hiérarchique (HiP-CT) et développée initialement à l’ESRF par Paul Tafforeau pour la paléontologie, les scientifiques ont réussi à scanner des organes humains entiers avec un nouveau niveau de détail. L’utilisation de cette technique a été facilitée par le développement de la source extrêmement brillante en 2020 à l’ESRF (EBS), un nouveau type d’accélérateur circulaire de particules, dont les rayons X sont 100 milliards de fois plus brillants que ceux utilisés à l’hôpital. “La précision obtenue atteint celle d’un microscope, mais avec une structure 3D. Grâce à cette technique, nous scannons un organe complet et nous zoomons au fur et à mesure. Nous avons débuté à 30 microns (soit environ vingt fois la résolution d’un scanner CT clinique, ndlr) et nous avons réussi à monter jusqu’à 0,7 micron sur certains organes. Dans le cervelet, nous commençons à voir la microvascularisation et même certaines cellules”, souligne Paul Tafforeau.

Ce haut niveau de résolution a permis aux médecins d’identifier les causes de la détérioration rapide de l’état des patients atteints de Covid-19. “Grâce à l’imagerie à rayons X synchrotron, nous avons démontré qu’au-delà des atteintes pulmonaires, le Covid provoquait des atteintes vasculaires. Nous avons mis en évidence une dilatation des vaisseaux autour des bronches, ainsi qu’une apparition anarchique de vaisseaux thrombosés, expliquant en partie cette dégradation”, a indiqué, lors d’une visite de presse en novembre dernier, Alexandre Bellier, médecin et enseignant chercheur en anatomie à l’Université Grenoble Alpes. 

Un scan de corps complet prévu en 2027

Le succès de ce premier cas d’usage a amené le consortium à travailler sur d’autres organes comme le cerveau, les reins ou le cœur. Dix-sept organes sont désormais téléchargeables sur le Human Organ Atlas Hub, mais il faut compter entre 5 et 6 téraoctets de données pour un seul organe. “Les applications sont nombreuses pour la pathologie, l’anatomie, l’apprentissage des futurs professionnels de santé. Sur le volet anatomique, nous nous intéressons, notamment, à l’orientation des fibres du myocarde dont la connaissance est utile pour implanter au mieux les simulateurs cardiaques et guider la main du chirurgien. Nous modélisons également le réseau artériel de l’hippocampe”, détaille Alexandre Bellier. 

L’ESRF est désormais équipé depuis novembre dernier d’un tomographe permettant de scanner un corps humain complet. “Le premier scan de corps humain complet est prévu en 2027 après l’installation du nouveau laboratoire. Cela nous permettra de scanner un corps à une résolution de 25 microns contre 350 microns pour un scanner médical actuel. Ces scans de corps humain complets participent également à notre objectif d’améliorer les données d’imagerie médicale conventionnelle grâce aux données synchrotron, pour cela nous avons besoin d’avoir un corps avec les os et les muscles, des organes isolés ne sont pas suffisants”, souligne le chercheur. 

 Améliorer l’imagerie médicale traditionnelle

Le projet Human Organ Atlas pourrait également permettre d’améliorer l’imagerie médicale traditionnelle. “À mesure que nous avons réussi à avoir des données de meilleure qualité et à réaliser des scans de plusieurs organes, nous avons commencé à les comparer avec des scanners médicaux et des IRM. En superposant les données, notamment celles d’un des premiers cerveaux que nous avons imagés, nous nous sommes rendu compte que nous arrivions à obtenir des contrastes très proches du mode T2 de l’IRM (mode dans lequel l’eau apparaît hyperintense et la graisse plus sombre, ndrl). L’idée est donc d’entraîner des algorithmes de super résolution par deep learning afin d’améliorer les données des machines traditionnelles. Pour cela, nous avons besoin d’énormément de données, nous allons donc faire du scan systématique d’organes via scanner médical, IRM et synchrotron”, explique à mind Health Paul Tafforeau. L’objectif est de créer, pour une pièce anatomique donnée, quatre jeux de données. Les deux premiers jeux sont récupérés après son passage au scanner médical et à l’IRM. Un autre jeu correspond au scan par HiP-CT de l’échantillon préparé dans du formol pour un contraste équivalent au scanner. Le dernier jeu est le scan par HiP-CT de l’échantillon dans du formol, équivalent au mode T2 de l’IRM. “Avec les quatre jeux de ces pièces réalignées précisément, nous pouvons espérer améliorer à la fois le scanner médical et l’IRM. Pour l’instant, nous en sommes encore à la preuve de concept. Il nous faut un grand nombre de données pour réaliser cette approche statistique, mais nous avons fait de grands progrès en termes de réduction de temps de scan. Auparavant, il nous fallait 24h pour scanner un cerveau, aujourd’hui nous y arrivons en près d’une heure et demie avec une meilleure qualité. Nous pouvons donc envisager de faire des approches avec de grands nombres d’organes. Nous avons commencé sur le rein et avons scanné en une journée une quinzaine de reins. Cette approche va encore prendre quelques années à se mettre en place”, précise Paul Tafforeau. 

Au préalable, le but premier des chercheurs est d’améliorer la qualité des données synchrotron grâce au développement d’algorithmes de débruitage dédiés. “Quand nous faisons de l’imagerie par HiP-CT, nous utilisons des doses de rayons X extrêmement élevées. Nous sommes souvent à la limite de la résistance des organes. De plus, nous travaillons dans un milieu liquide, nous avons une sorte de seuil de dose à ne pas dépasser, sinon des bulles apparaissent durant le scan et les données sont perdues. Si nous arrivons à augmenter la qualité de la reconstruction tomographique elle-même, via ces algorithmes, nous pouvons diminuer la dose, faire des hautes résolutions sur des champs de plus en plus grands ou gagner encore en résolution”, détaille le responsable de la ligne de lumière BM18. La production des données d’entraînement dépend également de la stabilisation du système. “Pour l’instant, nous sommes sur une courbe très élevée d’amélioration, nous atteindrons l’année prochaine une sorte de plateau en imagerie d’organes complet, nous pourrons alors débuter les scans systématiques. D’ici un à deux ans, nous mènerons les premiers essais sur l’entraînement des algorithmes. Cela pourrait arriver sur de l’IRM expérimentale dans les deux à quatre ans, mais du point de vue de l’implémentation réelle cela pourrait être beaucoup plus long en raison des contraintes industrielles, éthiques, etc.”, estime Paul Tafforeau. L’ESRF a déjà entamé une collaboration scientifique avec Siemens Healthineers pour travailler sur cette question.