Pierre Jannin : du GPS cérébral au simulateur d'entraînement neurochirurgical

Les effets ressemblent à un petit miracle : lorsqu'un courant à haute fréquence est injecté par une électrode dans une région très précise de son cerveau profond, la patiente, éveillée lors de l’opération, voit quasiment cesser le tremblement permanent de ses mains qui lui rendait la vie impossible.

Découverte presque par hasard il y a 25 ans par le professeur Benabid au CHU de Grenoble, la stimulation cérébrale profonde (SCP) est aujourd’hui utilisée pour soulager environ 440 patients par an, atteints de pathologies neurologiques, au premier rang desquelles la maladie de Parkinson. Elle permet de réduire de 75% en moyenne l’intensité des symptômes invalidants (tremblements et mouvements involontaires, raideurs, et jusqu’à certains troubles obsessionnels compulsifs).

La technique consiste à implanter de fines électrodes dans certaines structures profondes du cerveau, par exemple un noyau de quelques millimètres. Le succès de l’opération dépend donc d’un trajet et d’un positionnement ultra précis. Le patient doit être éveillé pendant la mise en place de l’électrode, car c’est le seul moyen d’évaluer l’efficacité de la stimulation. Si l’effet est trop faible (ou entraîne des effets secondaires, tels des fourmillements), le neurochirurgien déplacera la source de courant de manière infime, afin que la stimulation touche uniquement la zone responsable du symptôme.

© V. Melcion et UR1/Dircom/JLB/

Mais comment guider une électrode au plus profond du cerveau, suivant le trajet qui lèsera le moins les structures traversées ? Et comment s’assurer qu’à la fin de leur lente descente à travers le cerveau, les pôles de l’électrode soient positionnés exactement au bon endroit, au sein d’une petite structure complexe de quelques mm de côté ?

Au moment d’implanter la tige de l’électrode, Claire Haegelen, maître de conférences à l'université de Rennes 1 et neurochirurgienne au CHU de Rennes, peut s’appuyer sur un ensemble de compétences et de ressources qui lui permettront de réussir son intervention :

• elle maîtrise l’anatomie cérébrale, qu’elle a apprise dans les moindres détails en faculté de médecine, et qu’elle continue d’explorer par la pratique et par la formation continue ;
• elle dispose de techniques d’imagerie (scanner, IRM) pour déterminer chez son patient l’emplacement exact de la structure à opérer - qui diffère bien sûr d’une personne à l’autre. Ce repérage est délicat, car les structures visées n’apparaissent que faiblement sur les images ;
• elle peut s’appuyer sur son expérience des opérations précédentes, en privilégiant celles qui ont le mieux fonctionné pour une pathologie et un profil de patient donnés ;
• en bloc opératoire, elle est entouré d’une équipe et de neurologues qu’elle est entraînée à animer efficacement tout au long d’une intervention qui peut durer plusieurs heures.

© Crédit : V. Melcion et UR1/Dircom/JLB

C’est ici qu’intervient Pierre Jannin, directeur de recherche Inserm et responsable de l’équipe MediCIS (Modélisation des connaissances et procédures chirurgicales et interventionnelles) au LTSI (Laboratoire de traitement du signal et de l’image), unité mixte de recherche placée sous la double tutelle de l’Inserm et de Rennes 1.

La recherche du LTSI est conduite conjointement par des académiques, des ingénieurs et des médecins. À Rennes, cette étroite intégration entre médecine, technologie et recherche remonte à la création de l’unité, il y a une quarantaine d’années. Ainsi les membres du LTSI, d’horizons très divers, comprennent-ils aujourd’hui avec une grande finesse les exigences et les particularités des métiers exercés par leurs collègues. C’est cette culture commune qui a permis à Pierre Jannin (chercheur en imagerie médicale initialement formé à la physique et à l’informatique) de développer un logiciel modélisant en partie le savoir et l’expérience de la neurochirurgienne Claire Haegelen, membre de son équipe exerçant au CHU de Rennes, pour l’aide à l’intervention en stimulation cérébrale profonde (SCP).

Modélisation anatomique

Sur l’imagerie IRM des patients de Claire Haegelen, les zones cibles d’une intervention de SCP sont très peu lisibles. Seule l’expertise de la neurochirurgienne lui permet de les localiser. Dans le cadre du projet ACouStiC, Pierre Jannin lui a demandé de dessiner en 3D les contours de ces zones sur une cinquantaine d’IRM de patients différents. Il en est résulté une « super-IRM », moyenne de toutes ces mesures, qui à son tour peut être subtilement déformée par l’ordinateur pour se superposer parfaitement aux images IRM et scanner d’un nouveau patient.

Le premier atout du logiciel est donc de fournir, pour chaque patient, une véritable carte GPS en 3D sur laquelle il est possible de prévoir et d’affiner la position d’une électrode virtuelle, en définissant sa cible et son trajet vers des zones cibles bien mieux identifiées que sur une IRM classique.

Carte d'efficacité

Une intervention est réussie quand l’électrode stimule exactement les zones responsables du symptôme. En s’appuyant sur un calcul statistique qui reprend tous les résultats de ses opérations passées, Claire Haegelen est capable de sélectionner les zones qui ont donné les meilleurs résultats. Ces positions, matérialisées par des points colorés, sont affichées par le logiciel à l’intérieur même du noyau à opérer, pour affiner encore le guidage. Elles sont le reflet informatique de la pratique de la neurochirurgienne.

Avant l’opération, Claire Haegelen s’appuie en partie sur les coordonnées spatiales calculées par le logiciel pour régler le cadre métallique gradué qui, fixé sur la tête du patient, guide le trajet et de l’électrode réelle vers sa cible. Pendant la lente descente de la fine tige métallique dans les profondeurs du cerveau, la neurochirurgienne prend en compte la visualisation 3D de l’électrode par le logiciel pour mesurer sa progression, puis son positionnement final par rapport à la cible. Elle évalue dans le même temps la fiabilité de la vue 3D en la comparant à sa propre expertise.

Après l’intervention, la neurochirurgienne transmettra ses remarques et ses demandes d’amélioration aux développeurs du logiciel. Les images 3D et les modèles calculés permettent à Claire Haegelen et à ses collègues neurologues de régler de manière optimale les paramètres électriques de la stimulation, afin d’anticiper certains effets secondaires.

© P. Jannin

Un autre projet de recherche (S3PM), conduit par Pierre Jannin avec des chercheurs de l’Inria et de l’INSA de Rennes, pousse la démarche plus loin. Les compétences techniques (gestes) du neurochirurgien ne représentent que 25% du succès d’une intervention. Pour pouvoir apporter une assistance plus complète, l’ordinateur doit pouvoir intégrer les dimensions cognitives de son expertise, c’est à dire non seulement les connaissances anatomiques, mais aussi la capacité à prendre des décisions rapides en enchaînement complexe, suivant le déroulement de l’intervention. Il en va de même pour l’animation et la direction d’équipe : pendant une opération de SCP, pas moins de 6 personnes interviennent au bloc opératoire, sur des durées pouvant atteindre 5 à 6h.

Pour modéliser cette expérience, c’est toute la salle d’opération, ainsi que le déroulement d’une intervention complète qui va être reconstituée en réalité virtuelle. Il deviendra alors possible d’utiliser cet environnement pour l’entraînement et l’évaluation de chirurgiens ou de personnels de bloc en cours de formation. À Rennes, la plateforme Immersia, l’une des plus grandes salles de réalité virtuelle au monde, accueille déjà la reconstitution du bloc n°3 de neurochirurgie du CHU de Rennes. En chaussant les lunettes de vision en 3D relief, on peut d’ores et déjà y déplacer des appareils médicaux, effectuer des actions dans l’ordre requis par une intervention réelle, et bientôt interagir avec des avatars virtuels du personnel de bloc.

À terme, la plateforme pourra ainsi servir à la formation et au développement des compétences des neurochirurgiens comme de leur équipe.

© V. Melcion et UR1/Dircom/JLB