Modélisation des propriétés électriques du cerveau humain à baisse fréquence

Intitulé et adresse du laboratoire d’accueil où aura lieu le stage

ICube-IPB, UMR CNRS 7357, équipe « Imagerie Multimodale Intégrative en Santé » (IMIS),
Institut de Physique Biologique (dans l'enceinte des Hôpitaux Universitaires de Strasbourg).
1, place de l'Hôpital, 67000 Strasbourg
Interactions avec le Laboratoire de Mathématiques de Reims et le Laboratoire IADI, à Nancy.

Nom, prénom et adresse email des encadrants

LOUREIRO DE SOUSA, Paulo, ploureiro@unistra.fr
LAMY, Julien, lamy@unistra.fr

Titre du stage

Modélisation des propriétés électriques du cerveau humain à baisse fréquence

Profil du candidat

Scientifique ou ingénieur, avec une bonne base en physique (électromagnétisme).
Le candidat devra également avoir de compétences en programmation scientifique (Python).

Mots-clés

Modélisation numérique, diffusion, électromagnétisme, IRM

Contexte

Plusieurs travaux ont montré que certaines maladies provoquent des changements locaux des propriétés électriques (PE) des tissus biologiques : des valeurs modifiées de la conductivité électrique ont été rapportées dans les tumeurs cérébrales et en relation avec un accident vasculaire cérébral. Étant donné que la conductivité électrique des tissus biologiques est principalement déterminée par la concentration et la mobilité des ions, elle peut être sensible aux changements des conditions physiologiques et pathologiques des tissus et des organes. Cartographier in vivo les PE permettrait donc d’accéder à des informations pertinentes sur l'état de santé du tissu.

En raison de ses principes électromagnétiques sous-jacents, l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) est une approche logique pour cartographier les PE tissulaires in vivo, chez l’Homme (Katscher et al., 2013 ; Zhang et al., 2014 ; Katscher et van den Berg, (2017)).

Il existe actuellement deux champs de recherche distincts pour l’investigation des PE par IRM : l’imagerie à basse fréquence (MREIT) et l’imagerie à radiofréquence (MREPT).
MREIT nécessite l’injection d'un courant électrique de basse fréquence (< 10 kHz) à travers des électrodes attachées à la surface de l'objet d’étude.
MREPT utilise l’interaction des champs magnétiques de radiofréquence avec l'objet d’étude pour dériver les PE.

Dans le cerveau, la distribution de la conductivité électrique dans la plage de radiofréquences (~ 120 MHz, pour une IRM de 3 teslas) reflète les mobilités des porteurs de charge intracellulaires et extracellulaires ;
à baisses fréquences, la conductivité observée reflète principalement la mobilité extracellulaire.

Récemment, il a été suggéré qu’il serait possible d’estimer les propriétés électriques à basse fréquence, à partir de mesures des PE obtenues à radiofréquence et de données d’IRM de diffusion [Lee, et al.¸2020].
Le point de départ de cette nouvelle méthode (nommée MbD-LF-CPI) est la décomposition de la conductivité électrique en concentration ionique totale (estimée par MREPT) et en mobilité des porteurs de charge dans l'espace extracellulaire (estimée par l’IRM de diffusion). L’avantage évident de cette approche est d’éviter l’injection d’un courant électrique chez les sujets.

Objectifs du stage

L’objectif principal de ce stage consiste en mettre en place et évaluer la méthode MbD-LF-CPI.
L’implémentation logicielle sera réalisée en Pyhton.

Laboratoires d'accueil

Ce stage de recherche M2 sera réalisée au sein du laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube), sur le site de l’Hôpital Civil, dans l’équipe « Imagerie Multimodale Intégrative en Santé » en collaboration avec le Laboratoire de Mathématiques de l’université de Reims-Champagne-Ardenne.

Le laboratoire ICube a une large expérience dans le développement de méthodologie IRM, pour des applications en recherche clinique, principalement en neurologie, mais également pour des applications en imagerie interventionnelle.
Disposant de trois scanners IRM dédiés à la recherche chez l’Homme (1.5T et 3T SIEMENS) et chez le petit animal (7T Bruker), les travaux en méthodologie du laboratoire ICube se focalisent essentiellement sur les questions liées aux méthodes d’acquisition des données et aux reconstructions des cartes de propriétés des tissus biologiques.

Contact

Pour candidater, envoyez une lettre de candidature, un CV, et les relevés de note et classement de licence et master à ploureiro@unistra.fr.
Nous vous encourageons à nous contacter par e-mail pour toutes questions ou pour avoir des précisions sur le sujet.

Références

• Katscher, U., Kim, D. H., & Seo, J. K. (2013). Recent progress and future challenges in MR electric properties tomography. Computational and mathematical methods in medicine, 2013.
• Zhang, X., Liu, J., & He, B. (2014). Magnetic-resonance-based electrical properties tomography: a review. IEEE reviews in biomedical engineering, 7, 87-96.
• Katscher, U., & van den Berg, C. A. (2017). Electric properties tomography: Biochemical, physical and technical background, evaluation and clinical applications. NMR in Biomedicine, 30(8), e3729
• Lee, Mun Bae, et al. "Extracellular electrical conductivity property imaging by decomposition of high-frequency conductivity at Larmor-frequency using multi-b-value diffusion-weighted imaging." Plos one 15.4 (2020): e0230903.