La réalisation des modèles 3D par imagerie médicale :
Avant la réalisation par impression 3D d’un organe, un modèle numérique anatomique en trois dimensions de cet organe est réalisé. Pour cela, une observation précise de l’organe et de ses différentes parties sont nécessaires. La mise en image de cet organe et le procédé le permettant s’appellent l’imagerie médicale.
L’imagerie médicale a fait ses premiers pas en 1896 avec la découverte des rayons X par le physicien allemand, Wilhelm Röntgen. Au fil de nombreuses découvertes, cette technique se développe et se perfectionne, notamment avec la découverte en 1934 de la radioactivité par Pierre et Marie Curie.
Il existe plusieurs types d'imageries médicales qui sont plus ou moins adaptées en fonction des organes à étudier. On pourrait citer :
- La radiographie, qui utilise les rayons X, permet de différencier les os des muscles sur la représentation finale.
- L'échographie, qui se sert des ultrasons, permet d’observer les organes, les os et les muscles, mais avec une faible précision.
- L'imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d'obtenir des images en coupes par étude de la résonance magnétique des protons de l’eau, constituante principale du corps. Malheureusement, l’observation d’éléments durs comme les os est presque impossible, du fait de leur pauvre teneur en hydrogène.
- Le scanner qui donne également des images en coupe et qui permet de réaliser la représentation d'organes en 2D et en 3D. Ce sont ces deux derniers types d’imagerie médicale, occupant des fonctions différentes mais se complétant entre-elles, qui sont le plus adaptés pour ce sujet.
Le scanner est la technique la plus utilisée pour observer des organes. Il a l'avantage de pouvoir étudier intégralement les organes du patient, sans pour autant qu’ils n’apparaissent superposés comme sur une radiographie. Il permet également d’avoir des informations sur la localisation, le taille, la forme, et la composition de l’organe étudié.
Parmi les procédés que nous avons présentés, le scanner semble être le plus apte à réaliser des modèles d’organes en 3D. Nous allons donc étudier plus en détail son fonctionnement.
Le scanner est donc un des multiples procédés d’imagerie médicale. Il repose sur l’émission de rayons X, ondes électromagnétiques de fréquence élevée (10^-9 à 10^-11) et invisibles à l’oeil nu, et l’analyse de l'absorption de ces rayons.
Spectre de la lumière visible
Il se présente sous la forme d’un cylindre à l'intérieur duquel est placé une table où le patient est installé. Une source de rayons X, , appelée le tube à rayons X externes, située dans le cylindre, irradie le patient. Les rayons sont arrêtés par une plaque équipée d’un capteur située de l’autre côté du cylindre. La source et le détecteur tournent autour du patient pendant que la table avance lentement et de manière constante. Ainsi, toutes les parties du corps, et donc des organes, sont observées. Un modèle complet du corps ou de l’organe étudié est obtenu
Les rayons émis à l’intérieur du cylindre proviennent d’un tube à vide, qu’on nommera tube à rayons X. Ce tube est constitué d'une cathode dont l'extrémité est un filament de tungstène, et d’une anode composée d’une plaque métallique, qui sont chacunes entourées d’une enveloppe de protection. Lorsque le tube est traversé par un fort courant électrique, de l’ordre de plusieurs centaines de volt, le filament chauffe et libère des électrons (à la manière d’un tube de réception sur les postes TSF).
L’application d’une forte tension électrique entre la cathode et l’anode du tube, à l'intérieur duquel le vide a été créé, entraîne une accélération des électrons, qui se déplacent alors de la cathode vers l’anode et excitent les atomes d’hydrogène . Or, lorsqu’un atome est excité, un de ses électrons change de couche. Ce changement d’énergie rend sa structure électronique instable. Lorsque l’électron regagne sa couche initiale, un rayonnement X est émis et l’atome retrouve sa stabilité énergétique originelle. Ce phénomène se reproduit indéfiniment pourvu qu’un courant électrique soit envoyé. L’image obtenue est l’assemblage de tous les signaux envoyés par les électrons, les rayons X.
Les rayons, en atteignant le corps, interagissent plus ou moins avec les tissus et selon le degré d’absorption du tissu traversé, l’image finale sera plus ou moins nuancée de gris. Ce degré d’interaction est dépendant du coefficient d'atténuation des photons par le tissus. L’ensemble de ces informations est reconstitué en une image tridimensionnelle.
Ainsi, le scanner permet de se rendre compte des modifications de volume et des anomalies de structures au niveau des tissus et des organes, notamment pour l’exploration des pathologies osseuses, articulaires et rachidiennes. Il permet donc de modéliser la structure des tissus et des organes pour à terme pouvoir les imprimer.
Vidéo résumant le fonctionnement du scanner (crédits : CEA.com)
Cependant, ce type d’imagerie n’est pas suffisant pour pouvoir élaborer un modèle d’un organe fonctionnel. En effet, il faut en plus de sa structure extérieure, connaître sa structure interne et cette imagerie médicale peut être dangereuse si elle est utilisée trop souvent sur le même patient. De plus, la mise en image de l’organe est lente et cela peut avoir des conséquences sur le diagnostic de la maladie et de façon générale, sur le volume et la forme de l’organe final. L’IRM pourrait donc être la technique d’imagerie médicale non invasive la plus adaptée pour ce type de recherche, puisqu’elle permet d’observer de manière tridimensionnelle l'intérieur des organes et les interactions qui y existent. D’ailleurs, les chercheurs et les radiologues ont perçu son potentiel, car l’IRM tend de plus en plus à remplacer les autres types d’imagerie comme la radiographie et le scanner.
L’appareil permettant de réaliser une IRM se présente sous la forme d’un cylindre entourant une table sur lequel est posé le corps de la personne observée. Il est composé d’un aimant puissant de 1,5 à 7 T (Tesla, unité de mesure du champ magnétique) d’une antenne (pour percevoir le signal) et de 3 bobines de gradient (par lesquelles passe le courant électrique). Le gradient est la variation d'une donnée physique dans l'espace comme la profondeur. en analysant sa valeur, nous pouvons déterminer la position du signal dans l’espace.
Schéma représentant les différentes parties de l’IRM
L’Imagerie par Résonance Magnétique est basée sur les propriétés magnétiques des molécules d’eau, notamment ceux de l’hydrogène, qui composent à plus de 80% le corps humain. En effet, les atomes d’hydrogène, ou spins, agissent comme un aimant sous l’effet d’un champ magnétique puissant (B0). L’IRM permet la création de ce champs magnétique, grâce à une bobine agissant comme un aimant puissant, pour que toutes les molécules d’eau présentent dans le corps s'orientent suivant B0. Une antenne est alors placée au niveau de l’organe étudié et va permettre l’émission et la réception de certaines fréquences. Lorsqu’elle émet une fréquence, les spin vont s'orienter de manière perpendiculaire à B0, mais lorsqu’elle s’arrête, les spin reprennent leur position initiale en émettant à leur tour une fréquence captée par l'antenne. Cette fréquence est ensuite traduite en un signal électrique analysé par des logiciels. Ce signal est différent selon la quantité d’eau présente dans les tissus observés.
Pour pouvoir déterminer quelle partie de l’organe est sollicitée pour tel ou tel mouvement, le médecin demande à la personne observée d’accomplir différents mouvements afin d’observer les réseaux nerveux et sanguins de l’organe activés par le mouvement. Pour cela deux méthodes sont utilisées, l’IRM de diffusion pour observer les connections nerveuses, et l’IRM fonctionnelle pour les réseaux sanguins.
La première méthode, l’IRM de diffusion, permet de visualiser le déplacement des spins présents à l’intérieur des nerfs. Un atome d’hydrogène a toujours la même direction que le nerf. Donc observer localement leur orientation permet de reconstituer la trajectoire du nerf, et enfin de reconstituer le réseau nerveux à l’intérieur de l’organe.
Exemple de reconstitution des fibres nerveuse du cerveau par l’IRM de diffusion.
La seconde méthode est l’IRM fonctionnelle. Elle permet d’observer les zones de l’organe activées par un stimulus présenté ou appliquée au sujet. Ainsi, les ces zones vont recevoir plus d’oxygène par voie sanguine que les autres parties de l’organe. Les échanges entre le sang et les neurones modifient le signal IRM. Cette différence est analysée par informatique et l’image finale permet d’avoir des informations sur les zones de l’organe répondant au stimulus, et donc d’avoir un maximum de données sur les échanges sanguins entre les organes et le reste de l’organisme.
Ainsi, l’élaboration d’un modèle tridimensionnel par imagerie médicale d’un organe nécessite trois interventions afin de pouvoir se rendre compte de tous les aspects de l’organe. Deux types d’imagerie sont donc utilisés : le scanner pour pouvoir avoir la géométrie tridimensionnelle exacte de l’organe que ce soit au niveau de la forme (avec le scanner) mais également de sa structure interne et l’IRM. Ce dernier l’IRM est divisé en deux méthodes afin d’avoir des informations les plus précises possibles, l’IRM de diffusion pour pouvoir reconstituer tous les réseaux nerveux, et l’IRM fonctionnelle pour pour reconstituer les échanges entre l’organe et le reste de l’organisme par voie sanguine.
L’utilisation de ces trois types d’imagerie permet donc de réaliser un modèle tridimensionnel complet de l’organe à imprimer.
Cependant, les recherches concernant l’élaboration d’un modèle en 3D d’organe ou de tissu sont encore en cours, et ces techniques dont la puissance, la capacité de contraste sur le modèle final entre les différentes parties de l’organe, et enfin l’amélioration des logiciels et algorithme de calculs sont encore à améliorer.
