Xemis 2

XEnon Medical Imaging System
Projet CPER
Démarrage : 2021
Fin : 2024

À Nantes, les chercheurs du laboratoire Subatech ont imaginé que l’on pouvait améliorer l’imagerie médicale grâce à une nouvelle technologie basée sur l’utilisation de xénon liquide. Baptisé Xemis et initié il y a une dizaine d’années, leur projet focus, dans un premier temps, sur l’imagerie à trois photons : une nouvelle méthode d’imagerie à même d’amplifier la qualité des images fonctionnelles. Le projet XEMIS (XEnon Medical Imaging System), a permis de développer une caméra pour l’imagerie médicale de petits mammifères, explique Dominique Thers de SUBATECH. L’invention a été brevetée. Elle repose sur la mesure des interactions Compton afin d’ouvrir la voie vers la reconstruction directe en 3D des bio-distribution de médicaments comportant des émetteurs radioactifs particuliers comme le Scandium-44. En parallèle, des développements instrumentaux menés à Subatech, des travaux de recherche sur de nouveaux radio-pharmaceutiques marqués avec du scandium-44 s’effectuent notamment au niveau local en collaboration avec les équipes du cyclotron ARRONAX, du CNRS, de Nantes Université, de l’INSERM et du CHU de Nantes. XEMIS abrite une panoplie complète d’innovations, tout ou presque n’existe nulle part autre part, nous sommes à la frontière entre les sciences et les techniques.

Une preuve expérimentale de XEMIS est actuellement recherchée ; elle passe par la construction, l’installation et l’exploitation de la caméra XEMIS2, une caméra dédiée à l’imagerie du petit animal qui contient 200 kg de xénon. L’objectif est de montrer pour la première fois que des images d’excellentes qualités peuvent être obtenues avec 100 fois moins de médicaments radioactifs grâce à cette technologie. Installée au centre d’imagerie CIMA (Centre d'Imagerie Multimodalités et Applications) du CHU de Nantes, la technologie mise en œuvre est complètement nouvelle et touche à de nombreuses spécialités qui ont dû être revisitées. La caméra abrite ainsi une cryogénie et une conception mécanique innovantes, une instrumentation immergée dans le xénon liquide spécifique, des électroniques de mesures et d’acquisition dédiées, une capacité significative de calcul embarquée, un tout nouveau système de stockage, gestion et transfert des données, des algorithmes de reconstruction des images entièrement spécifiques. La technologie est en rupture quasi-complète avec les caméras commercialisées aujourd’hui, l’exploitation de ses données également.

L’objectif scientifique principale de XEMIS2 est de montrer, dans un premier temps, qu’il est possible de réaliser des images de petits mammifères d’excellente qualité avec une très faible activité radioactive, environ 100 fois moins que celle utilisée avec des caméras microPET classiques hébergeant des technologies solides de caméra. Après cette phase incontrounable, il sera alors possible d’augmenter l’activité pour obtenir des images beaucoup plus rapidement et/ou pour améliorer leur résolution et aussi d’initier la recherche et le développement pour proposer une caméra à dimension humaine basée sur cette technologie. Dans ce contexte, le projet XEMIS a pour objectif final de sensibiliser la communauté à cette évolution technologique pour initier l’émergence d’une filière technologique innovante de caméras dédiée à l’imagerie médicale et comprenant du xénon liquide.

Méthode utilisée

Afin de développer ce projet, nous avons tout d’abord construit un démonstrateur technologique, baptisé XEMIS1, à Subatech pour parvenir à la preuve de concept. Ensuite, nous avons identifié la pertinence de la construction d’une première caméra à l’échelle du petit animal afin de pouvoir proposer cette modalité d’imagerie autour du vivant.

L’ensemble de le caméra XEMIS2 a été dessinée, construite et assemblée par des personnes travaillant au laboratoire Subatech : chercheurs, ingénieurs, techniciens. Ces travaux font l’objet de méthodes où une logique récurrente de suivi de projet y est déployée ; l’approche est semblable et similaire aux travaux déployés pour construire les expériences de recherche fondamentale.

Caméra Xemis2

Ci-dessus, la caméra XEMIS2 en cours d’installation au CHU de Nantes-CIMA.

 

Les figures ci-dessous montrent une coupe du détecteur où l'on peut distinguer les deux zones sensibles cylindriques de la caméra contenant une cathode centrale commune et les deux anodes équipées de leur électronique de lecture à chaque extrémité. La zone active est entourée de photomultiplicateurs montés dans un support mécanique visible sur la photo ci-dessous.

Xemis design

Xemis Mecanique

La figure ci-dessous montre une vue d'ensemble de l'assemblage de l'électronique de lecture du signal d'ionisation sur une demi TPC. Un banc test constitué de l'électronique Front End jusqu'au système d'acquisition des données a permis de valider une partie de la chaîne de lecture (photo ci-dessous).

assemblage électronique

 

Les résultats attendus :

Dès le début du projet XEMIS, les performances attendues en termes de qualité d'image de l'imagerie à 3 photons ont été estimées à partir de simulations Monte Carlo complètes basées sur les logiciels GEANT4 et GATE. Des algorithmes de reconstruction dédiés ont été développés afin de bénéficier le plus possible des avantages combinés de cette nouvelle modalité d'imagerie et de la technologie au xénon liquide.

La figure ci-dessous représente les images d'un fantôme numérique (cylindre de 7 cm de diamètre et 12 cm de long) simulé sous GATE et reconstruit avec un algorithme de type ML-EM TOF-PET.  Le temps d'acquisition est de 20 minutes avec une activité totale de la source de Scandium-44 simulée de seulement 20 kBq. L'apport de l'information du cône Compton sur la qualité de l'image obtenue est mis en évidence dans cette étude. L'image à gauche est reconstruite en utilisant uniquement l'information des LOR (Line Of Response) comme en TEP standard, l'image du milieu et l'image de droite sont reconstruites en utilisant l'information du croisement du cône Compton avec la LOR pour deux valeurs différentes d'un paramètre caractérisant la résolution spatiale du croisement. Ces travaux autour des algorithmes de reconstruction ont été effectués par une collaboration liant les chercheurs de Subatech et du Latim.

imagerie

Les partenaires

Le projet XEMIS mobilise l’engagement du laboratoire Subatech en collaboration avec les partenaires et industriels suivants :

  • Service d’électronique du CNRS de l’IP2I Lyon et du LPC Clermont-Ferrand pour la conception de l’électronique de déclenchement des pixels
  • Équipe reconstruction du Latim Brest
  • Équipe résolution de problèmes mal-posés du LS2N à Nantes et de l’Inserm CRCINA
  • Département optique de l’IMT Atlantique à Brest pour la conception de l’électronique de mesure du système de photo-détection
  • Équipe calcul embarqué du Lab-Sticc à Lorient
  • Air-Liquide Advanced Technologies and Business pour la conception du système cryogénique
  • Équipe de Médecine Nucléaire du CHU de Nantes et de l’Inserm CRCINA pour la mise en fonctionnement de la plateforme d’imagerie CIMA

Arronax et l’Inserm CRCINA pour la production du 44Sc et la recherche autour des médicaments permettant de cibler des tumeurs.

 

Les prochaines étapes :

Aujourd’hui, nous sommes en train de finaliser les phases d’installation et de qualification de la caméra XEMIS2 au CHU de Nantes. Nous pourrons alors obtenir les preuves expérimentales de la pertinence de cette technologie innovante pour l’imagerie médicale de demain et nous espérons pouvoir montrer consécutivement qu’une nouvelle imagerie a très faible dose est possible, puis qu’une nouvelle imagerie avec un très faible temps de pause est possible et aussi, bien sûr, sensibiliser la communauté à la possibilité de proposer cette technologie à l’échelle de l’homme.

 

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Ce projet est cofinancé par le fond eruopéen de développement régional
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