Dactim-MIS : les maths au cœur de l’innovation en imagerie médicale

L’équipe Dactim-MIS (Data Analysis and Computation Through Imaging and Modeling-Maths Images Santé), intégrée au laboratoire CNRS LMA 7348 de l’Université de Poitiers, est située au centre cardio-vasculaire du CHU de Poitiers. Equipe pluridisciplinaire, elle réunit médecins imageurs, physiciens, informaticiens et mathématiciens. Intégrant imagerie cérébrale, modélisation et algorithmes, ses recherches portent, notamment, sur la compréhension du métabolisme des organes, des phénomènes de croissance tumorale et de la réponse thérapeutique.

« L’axiome de Dactim-MIS est l’intégration de données de l’imagerie humaine clinique à des modèles biomathématiques multiparamétriques permettant de reproduire le fonctionnement biochimique d’un organe. Nous sommes, en France, la seule équipe d’imagerie à travailler sur l’imagerie métabolique par résonance magnétique multi-noyaux et à disposer d’une plateforme IRM 3 Tesla per-opératoire », résume le Pr Rémy Guillevin, chef adjoint du pôle imagerie du CHU de Poitiers, à la tête de l’équipe de recherche Dactim-MIS avec le Pr Alain Miranville, mathématicien.

Créée en juin 2016 et basée au centre cardiovasculaire, l’équipe Dactim-MIS fait partie du laboratoire de mathématiques et applications (LMA), laboratoire CNRS de l’Université de Poitiers. Composée de vingt-trois chercheurs, quatorze permanents, trois post-docs et six doctorants, l’équipe Dactim-MIS regroupe des mathématiciens, des physiciens de l’image de l’Université de Poitiers et des médecins imageurs (radiologie et médecine nucléaire) du CHU. « Nos recherches ont plusieurs domaines d’application, pour l’instant majoritairement centrés sur le cerveau : la neuro-oncologie mais aussi les maladies neurodégénératives, inflammatoires et psychiatriques. »

Prédire le développement de la tumeur et sa réponse aux thérapeutiques
S’appuyant sur la modélisation mathématique, le premier axe de recherche de Dactim-MIS porte sur la compréhension des phénomènes de croissance tumorale du cerveau. Les paramètres issus de l’IRM (flux sanguin, quantification des métabolites, lactate, ATP, choline, etc.) servent à alimenter des modèles mathématiques dans le but de prédire le fonctionnement et, par extension, le développement de la tumeur mais aussi la réponse thérapeutique à un traitement donné. « Il s’agit en effet de définir des modèles mathématiques bien adaptés, c’est-à-dire simples mais rendant compte de la dynamique souhaitée afin de comprendre au mieux les échanges d’intérêt entre agents – cellules ou organes – et ainsi l’évolution de certains métabolites au cours du temps. Une fois ces modèles mis en place et les paramètres estimés grâce aux données issues de la SRM, il est possible de prédire l’évolution des métabolites au sein d’un gliome. Nous espérons bientôt pouvoir, grâce à ces modèles, proposer des stratégies thérapeutiques adaptées « , explique Angélique Perrillat, doctorante en biomathématiques.

Deuxième axe de recherche du laboratoire Dactim-MIS : la visualisation et l’aide à la décision pour la neuro-navigation per-opératoire à travers le recalage d’images IRM. Avant l’opération, un bilan tumoral complet est effectué. Grâce à l’IRM 3 Tesla dont dispose le centre cardiovasculaire, pendant l’opération, une nouvelle série d’images peut être acquise permettant une actualisation des zones tumorales restantes à l’issue de la première partie de l’opération.

« Nous essayons donc de concevoir une méthode de recalage de ces images et des données cérébrales afin d’améliorer l’outil de neuro-navigation cérébrale utilisé par les chirurgiens. Cette approche permet d’obtenir, en plus des données anatomiques, des paramètres métaboliques, perfusionnels et fonctionnels, développe Mathieu Naudin, doctorant en informatique. Cela passe par l’élaboration de modèles mathématiques pour la compréhension de la déformation du cerveau pendant l’opération. Les techniques de recalage utilisées doivent apporter une information la plus précise possible malgré des contraintes importantes en temps de calcul. » Ces travaux contribueront donc à une précision et une efficacité accrue dans l’ablation des tumeurs cérébrales. L’objectif de Dactim-MIS est d’augmenter le niveau d’information disponible au bloc opératoire.

Autre axe de recherche : la transplantation. « Un projet de recherche (Mega-Q2OL) en cours d’élaboration vise à caractériser au mieux le métabolisme d’un organe avant greffe sur un tiers, dans le but de prédire le comportement post-greffe. Les travaux portent aujourd’hui sur le rein et concerneront également, à moyen terme, la greffe cardiaque », complète le Pr Guillevin, rappelant que l’ensemble de la thématique de Dactim-MIS s’inscrit dans le livre blanc du CHU, actuellement en cours d’élaboration.

Une voie d’excellence
« Notre travail ne se limite pas à l’élaboration de statistiques : nous créons des modèles dits réalistes, permettant de décrire les fluctuations et le comportement des systèmes biologiques qui constituent les organes et, par extension, le corps humain. Nous préparons l’exploitation de l’imagerie de demain qui est d’aller regarder au plus près du fonctionnement du métabolisme. L’organe est regardé comme un objet multiparamétrique et dynamique. Le rôle de Dactim-MIS est de réaliser la convergence de plusieurs spécialités : la génomique, la biochimie, la pathologie, les mathématiques et la physique de l’image », souligne le Pr Guillevin.

Le développement attendu de la plateforme d’imagerie de recherche (imagerie isotopique et remnologique) permettra de conforter ce savoir-faire scientifique, « cette voie d’excellence », et d’en exploiter toutes les potentialités : « La performance, la finesse d’examen des structures et le nombre d’informations accessibles seront fortement augmentés. »

« Transversale et dynamique », l’équipe de chercheurs a déjà produit plus de 36 publications depuis sa création. Un axe innovant en France, unique en région Nouvelle-Aquitaine, bénéficiant d’ores et déjà d’une reconnaissance internationale. « Dactim-MIS met la recherche fondamentale en lien direct avec les patients », conclut le Pr Guillevin.