1.

Guy Cloutier, ing., Ph.D.

Professeur agrégé
Département de radiologie
Université de Montréal

Membre
Institut de génie biomédical
École Polytechnique et Université de Montréal

Chercheur invité
Laboratoire de génie biomédical
Institut de recherches cliniques de Montréal

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3.

Contexte: L'agrégation des globules rouges (GR) est un processus physiologique dynamique et réversible qui se produit lorsque des macroprotéines du plasma, telles que le fibrinogène, s'adsorbent ou se retirent de l'espace inter-cellulaire des GR et relient ces derniers sous formes de rouleaux cylindriques, de rouleaux avec embranchements et en réseaux tridimensionnels (Fig. 1). De plus en plus de données cliniques indiquent un lien étroit entre l'hyperagrégation des GR et les maladies cardiovasculaires. En effet, on a établi que des niveaux anormaux d'agrégation de GR étaient étroitement liés à l'infarctus du myocarde chez les patients souffrant d'angine instable. De plus, des études cliniques montrent avec régularité une association entre la présence de hauts niveaux d'agrégation des GR et l'hyperlipidémie, l'hypertension, le diabète, les maladies cérébrovasculaires et les troubles thromboemboliques artériels et veineux. Les mécanismes physiopathologiques par lesquels l'agrégation des GR joue un rôle dans les maladies cardiovasculaires incluent : les effets de l'agrégation sur la viscosité sanguine, l'augmentation de la résistance au flot sanguin dans les micro-vaisseaux, ses effets d'autorégulation sur les contraintes de cisaillement imposées par le flot sanguin sur la paroi vasculaire et sur les fonctions des cellules endothéliales ainsi que l'activation du système de coagulation dans les conditions de stase circulatoire induites par l'agrégation.

Objectifs:   Le développement de méthodes d'imagerie par ultrasons qui permettraient la détection et la caractérisation in situ de l'agrégation des GR dans les vaisseaux sanguins humains aurait un impact certain sur la recherche fondamentale et clinique visant l'élucidation de son rôle dans les maladies cardiovasculaires. Des travaux sont donc en cours pour mieux comprendre les mécanismes de rétrodiffusion ultrasonore par les GR dans les macro- et microvaisseaux.

Travaux en cours:   Les activités de recherche du laboratoire incluent : 1) le développement de méthodologies faisant appel aux ultrasons de basses fréquences (<10 MHz) afin de caractériser les agrégats de GR dans les macrovaisseaux en régime stationnaire et transitoire; 2) la mise au point de méthodologies faisant appel aux ultrasons de hautes fréquences (20 à 70 MHz) afin de caractériser les agrégats de GR dans les microvaisseaux et dans des fantômes vasculaires in vitro utilisant du sang humain et 3) le développement de modèles stochastiques pour décrire la structure des agrégats de GR et prédire le signal de rétrodiffusion ultrasonore en fonction de la fréquence, de l'angle d'incidence du faisceau ultrasonore, du taux de cisaillement du flot et de l'hématocrite.

Contexte:  L'athérosclérose est la forme la plus répandue de maladie artérielle occlusive des membres inférieurs. Plusieurs stratégies ont été proposées pour évaluer spécifiquement, de façon non effractive, les obstructions des membres inférieurs à l'aide de l'échographie Doppler. Bien que les technologies d'échographie moderne permettent d'éviter le recours à l'artériographie chez certains patients, des études ont démontré les limites du Doppler pulsé et du Doppler codé en couleur des vitesses du flot sanguin dans le cas des lésions artérielles multisegmentées (Fig. 2). Les approches de diagnostic les plus classiques, basées sur la forme du spectre Doppler pulsé, mesurent les répercussions hémodynamiques des sténoses artérielles. On a démontré que le rapport de vitesse du flot (RV), obtenu en divisant la vitesse maximale systolique, mesurée dans la sténose, par la vitesse proximale ou distale à l'obstruction, constitue un meilleur index que les paramètres d'échographie Doppler classiques. Cependant, on a démontré que le RV est lui aussi affecté par la présence de multiples sténoses rapprochées. Jusqu'à maintenant, l'échographie Doppler ne permet pas de planifier un traitement chirurgical ou endovasculaire. Par conséquent, dans la plupart des cas, une angiographie classique ou par résonance magnétique, ou une tomodensitométrie axiale ou spiralée, est requise. L'angiographie par Doppler de puissance, qui permet une meilleure visualisation de la lumière du vaisseau que le Doppler codé en couleur des vitesses sanguines, constitue une autre option. Récemment, notre groupe a démontré, in vitro, que l'angiographie par Doppler de puissance n'est pas affectée par la présence de sténoses multiples (Fig. 3). À notre connaissance, ce type d'angiographie n'a jamais été utilisé en clinique pour quantifier les sténoses artérielles des membres inférieurs.

Objectifs:   L'objectif principal est de développer une méthode, basée sur l'angiographie par Doppler de puissance, le Doppler codé en couleur du flot sanguin et le Doppler pulsé, pour évaluer la morphologie des sténoses artérielles des membres inférieurs et estimer leurs effets hémodynamiques sur la perfusion périphérique. Un deuxième objectif est de comparer la précision des techniques d'échographie Doppler à d'autres modalités d'imagerie telles que l'échographie endovasculaire, l'angiographie, la tomodensitométrie et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) dans l'évaluation des sténoses artérielles des membres inférieurs.

Travaux en cours:   Les activités de recherche du laboratoire sont reliées à : 1) l'évaluation de l'amélioration de la précision de l'angiographie par Doppler de puissance à trois dimensions liée à l'utilisation d'instrumentation moderne; 2) la compréhension des effets, sur le RV et les chutes de pressions artérielles, de le présence de multiples sténoses en faisant appel à l'angiographie par Doppler de puissance à trois dimensions, le Doppler codé en couleur du flot sanguin et le Doppler pulsé combinés à des simulations numériques des écoulements et 3) la production de modèles réalistes d'obstructions artérielles multiples dans un fantôme permettant l'imagerie vasculaire à partir de plusieurs modalités afin de comparer la précision de l'échographie Doppler de puissance à l'échographie endovasculaire, l'angiographie, la tomodensitométrie et l'IRM.

Contexte:   Ce projet vise la mise au point d'outils de traitement du signal et de l'image pour l'échographie. Les domaines d'application d'un tel projet sont:  a)  la quantification des perturbations du flot sanguin liées à la turbulence sanguine, b) le développement de nouveaux algorithmes permettant de filtrer les échos stationnaires associés au déplacement de la paroi vasculaire et c) l'élastographie échographique.

A)  La quantification de la turbulence sanguine est d'une grande importance clinique. En effet, ces perturbations ont été associées à la dilatation post-sténose des artères, aux anévrismes, à l'athérogénèse et à la thrombose. Des études cliniques visant l'évaluation de la relation entre la turbulence du flot et les complications thrombogènes ne sont pas réalisables avec les technologies actuelles telles que l'anémométrie à film chaud, l'anémométrie laser Doppler et la vélocimétrie laser de particules. Seuls les ultrasons qui pénètrent les tissus humains pourraient constituer un outil pour l'évaluation non effractive des perturbations du flot sanguin associées à la turbulence chez les patients (Fig. 4).

B)   Les manufacturiers d'équipement d'échographie ont mis au point plusieurs stratégies pour réduire l'intensité des puissants échos produits par les structures stationnaires ou à déplacement lent. De telles stratégies appliquées aux signaux Doppler sont appelées filtres de parois. Les techniques utilisées par les manufacturiers sont basées sur les filtres numériques impulsionnels finis, les filtres numériques impulsionnels infinis et les filtres régressifs. Pour certaines applications, ces filtres sont loin d'être optimaux. De nouvelles stratégies doivent donc être proposées pour augmenter le rapport entre l'intensité du signal d'intérêt provenant du déplacement des GR et celle associée aux échos stationnaires.

C)  L'élastographie ultrasonore est basée sur le principe que l'excitation d'un tissu à l'aide d'un déplacement, d'une force ou d'une vibration connus produira des mouvements différents au sein des structures qui composent le tissu sur la base de leurs propriétés mécaniques et géométriques. Le mouvement des tissus est généralement détecté par des méthodes basées sur les corrélations des échos de fréquences radio (FR) successifs qui sont transmis et réfléchis. Selon le domaine d'étude, des algorithmes spécifiques doivent être proposés pour améliorer la capacité diagnostique de la méthodologie.

Objectifs: La mise au point de nouvelles stratégies de traitement du signal et de l'image pour améliorer le diagnostic des maladies cardiovasculaires par échographie.

Travaux en cours:   Les travaux de recherche du laboratoire sont reliés à : 1) la caractérisation des effets de la fréquence et de la taille du volume de l'échantillon échographique sur la détectabilité des micro mouvements associés à la turbulence sanguine; 2) l'évaluation de la performance de techniques de représentation temps-fréquence pour soustraire les puissants échos stationnaires qui peuvent cacher d'importantes données sur le flux sanguin dans l'affichage du spectre Doppler et 3) la mise au point de nouvelles stratégies de traitement du signal pour l'élastographie vasculaire ultrasonore.

Contexte:  Les anévrismes périphériques et cérébraux sont la cause de morbidité et de mortalité annuelles importantes (Fig. 5 et 6). La rupture d'anévrisme est généralement fatale. Le traitement endovasculaire des anévrismes périphériques et cérébraux constitue maintenant une alternative à la chirurgie. Des endoprothèses couvertes sont implantées pour traiter les anévrismes périphériques tandis que des spires métalliques peuvent être mis en place pour les anévrismes cérébraux. Ces traitements endovasculaires ont toutefois certaines limites qui incluent : la mauvaise correspondance entre les propriétés biomécaniques de l'anévrisme et celles de l'implant vasculaire et une dysfonction des mécanismes de guérison. Ces deux facteurs peuvent contribuer à la réapparition de la maladie après le traitement endovasculaire. Les objectifs importants qui sont poursuivis dans ce domaine touchent donc l'amélioration de l'évaluation de la relation anatomique entre la prothèse et la pathologie vasculaire et la mise au point d'un suivi efficace des patients par des techniques d'imagerie médicale innovatrices. De plus, une meilleure compréhension des mécanismes de guérison constitue un défi important.

Objectifs:   Ce projet est mené par une équipe multidisciplinaire et inter-institutionnelle de chercheurs montréalais et français. Le programme intègre des objectifs de recherche fondamentale en imagerie médicale, en biologie cellulaire, en physique, en biomécanique, en biomatériaux et en évaluation des coûts et des impacts socio-économiques des technologies de la santé. Il vise le développement de modèles in vitro et de modèles animaux appuyés par la recherche clinique sur les traitements endovasculaires des anévrismes.

Travaux en cours:   Les activités de recherche de l'équipe multidisciplinaire visent : 1) le développement de fantômes vasculaires qui reproduisent l'architecture tridimensionnelle des anévrismes physiologiques; 2) l'étude des propriétés mécaniques de la paroi des vaisseaux par élastographie ultrasonore; 3) le développement de nouvelles techniques de traitement de l'image incluant la segmentation et la fusion d'../images multimodales; 4) la modification des implants vasculaires pour les rendre biologiquement actifs et 5) la compréhension des facteurs biologiques et biomécaniques impliqués dans la formation des anévrismes et leur guérison après un traitement endovasculaire.

4.

Le Laboratoire de biorhéologie et d'ultrasonographie médicale (LBUM) du Centre de recherche du Centre hospitalier de l`Université de Montréal est constitué de deux entités, l`une visant la modélisation et l`analyse des ../images et des signaux biomédicaux, et une autre où s`effectue des travaux de nature expérimentale. Les deux entités du laboratoire occupent une superficie totale de 150 m². Le LBUM est équipé d'ordinateurs performants qui incluent un réseau d'ordinateurs Pentium relié à des serveurs SUN. Pour réaliser les expériences in vitro et la modélisation du flot, nous avons accès aux logiciels et aux outils de développement Labview, Ansys et Matlab et à du matériel de base tel que des postes d'acquisition des données ultrasonores fonctionnant de 100 à 500 MHz, des unités d'acquisition numérique de signaux pour le suivi en temps réel de la pression et du flot et pour l'acquisition des ../images vidéo d'échographie Doppler, ainsi qu'un poste d'acquisition des ../images d'échographie tridimensionnelle équipé d'un module de déplacement linéaire de la sonde. Nous avons aussi accès à un système d'échographie Doppler à hautes fréquences (20-70 MHz) pour l'imagerie des petits animaux et la caractérisation des flots microcirculatoires (Visualsonics), un système d'échographie Vivid Five (General Electrics) avec accès aux signaux de radio-fréquence, un système d`échographie endovasculaire (Jomed) avec accès aux signaux de radio-fréquence, un système Ultramark 9 HDI prêté par ATL-Philips, un système d'écho pulsé à large spectre Panametric (5900 PR, 10-100 MHz), des systèmes d`écho pulsé à large spectre Avtech (10-50 MHz et 50-100 MHz), des unités de réception et d`amplification à large spectre (Visualsonics), des hydrophones acoustiques à large spectre, et une unité Doppler à 10 MHz (Baylor). Les autres instruments auxquels nous avons accès incluent : deux pompes physiologiques pulsées pour le sang (Harvard), trois pompes péristaltiques (Masterflex), une pompe à perfusion cœur-poumons (Sarns), une pompe seringue (Harvard), trois débitmètres électromagnétiques avec plusieurs sondes (Carolina Medical), une station portable PowerLab à 16 canaux pour le monitorage physiologique (ECG et pression) (ADI Instruments), une centrifugeuse à grands volumes, des oscilloscopes, un viscomètre cône-plan (Brookfield, LVDVIII-CP-42) et un érythro-agrégamètre basé sur des mesures de dispersion de la lumière (Regulest). Une unité robotisée permettant l`acquisition 3D d`../images échographiques (Intégral Technologies) est également disponible au laboratoire.

Autres équipements à l'Institut de recherches cliniques de Montréal (IRCM)

L'IRCM permet à notre équipe l'accès à des installations pour la conception d'instrumentation mécanique et électronique, la microscopie, l'histologie et la biologie moléculaire. Des appareils tel que microscope intravital (Axiotech Vario 100 HD), microscopes confocaux (Zeiss-LSM, Zeiss-Axiovert 100), microscopes électroniques (JEOL-JEM-100CX, JEOL-JEM-1200 EX), un système d'échographie Sonos 5500 d'Agilent Technologies, un système d'échographie 128XP d'Acuson sont disponibles et une station de modélisation du flot Fidap.

Autres équipements au Département de radiologie, Hôpital Notre-Dame du CHUM (Centre hospitalier de l'Université de Montréal)

Notre équipe a obtenu une importante subvention d`infrastructure financée par la Fondation Canadienne pour l'Innovation (8,3 millions de dollars) pour la recherche fondamentale et clinique en imagerie vasculaire. La plus grande partie de l'infrastructure est installée au Département de radiologie de l'Hôpital Notre-Dame du CHUM qui est actuellement équipé de deux salles d'angiographie à la fine pointe de la technologie (une pour la neuroradiologie d'intervention et une pour la radiologie d'intervention périphérique), de deux appareils de tomographie spiralée, d'une unité de résonance magnétique de 1,5 Tesla équipée d'un hypergradient pour l'angiographie (Siemens), d'une salle d'angiographie expérimentale pour les animaux, de plusieurs unités cliniques d'échographie Doppler (ATL-Philips, General Electrics, Sciemens, etc...) et d'une unité d'échographie endovasculaire (In-Vision Gold, Jomed). Avec la subvention de la Fondation Canadienne pour l'Innovation s`ajoute l'infrastructure suivante : une unité de résonance magnétique réservée à l'imagerie vasculaire, une salle qui comprendra un appareil d'angiographie à soustraction numérique muni d'une technologie rotationelle et de surface plane combinée à un détecteur multiple de tomodensitométrie, une mise à jour de la salle de neuro-angiographie par l'ajout d'un détecteur de surface plane, une salle d'angiographie située dans l'animalerie, des installations pour l'étude des biomatériaux vasculaires ainsi qu'un Laboratoire central de traitement de l'image. Au centre de ce laboratoire dédié à la recherche se retrouve un serveur d'image de 2,4 Tbytes et un serveur de calcul UNIX à 8 processeurs et 32 Gbytes de mémoire vive. Autour de ce noyau, nous avons un réseau hétérogène (Windows/Linux/Solaris) de près de 20 stations de travail composé d'un réseau d'ordinateurs Sun comprenant six stations modèle Ultra 10, un serveur à six processeurs modèle 4500, 12 ordinateurs Pentium et un système de copie de sauvegarde de grande capacité.

5.

LGB:  Laboratoire de génie biomédical, IRCM.

LTIV:  Laboratoire de traitement de l'image vasculaire, Centre de recherche, Hôpital Notre-Dame, CHUM.

RADIO:  Département de radiologie, Hôpital Notre-Dame, CHUM.

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