Conception et caractérisation d'un outil de neuronavigation pour le rat

Le concept de navigation fait référence à tout procédé de guidage utilisé pour localiser et faire le suivi d'une position dans l'espace. Dans le cas de la neuronavigation (NN), il s'agit de décrire la position d'un outil dans le référentiel d'une image anatomique du cerveau d'un sujet. Ce mémoire décrit la conception d'un système de neuronavigation dédié au rat, financièrement abordable et utile en laboratoire. Ce type de dispositif apporte précision et répétabilité à des procédures qui requierent une grande dextérité. Ce projet a débuté avec la conception et la fabrication d'un transducteur cylindrique. Ce dernier peut former des images dans une géométrie similaire aux tranches axiales provenant de l'IRM. Malgré de bons résultats sur fantômes, aucun signal intéressant n'a pu être enregistré à partir du cerveau d'un animal. Ce transducteur a dû être mis de côté à cause de la faible qualité des images in vivo produites. Ensuite, un dispositif d'imagerie tridimensionnelle par fusion photoacoustique-ultrasons (PAUS) a été conçu. Les images ultrasonores provenant de ce dispositif ont servi à recaler un cliché IRM du cerveau d'un rat dans le référentiel du laboratoire. Le dispositif de NN est basé sur une fusion d'images échographiques et IRM. Le cliché IRM qui a été utilisé est une image moyenne provenant de plusieurs animaux, ce qui réduit encore les coûts liés à l'utilisation du dispositif de neuronavigation. En guise de comparaison, les appareils commerciaux nécessitent une image IRM propre à chaque sujet. Le coût du matériel composant ce dispositif ne dépassant pas dix mille dollars, il reste très abordable. Il a donc été possible de fusionner ces modalités d'imagerie pour prévoir la trajectoire d'une injection dans le cerveau. Pour valider la méthode, cette trajectoire est ensuite comparée à celle observée sur des coupes histologiques prélevées sur le tissu injecté. L'erreur associée au positionnement a été quantifiée : une erreur moyenne de 1.13mm, avec une erreur minimale de 500μm. Ces deux valeurs montrent le potentiel du dispositif présenté ici.

Abstract

3D navigation is a concept that is used to find an object of interest using coordinates in space. Neuronavigation(NN) is the term used when the navigated space is within the confines of the nervous system, including brain. Neuronavigation systems are well-established in neurosurgery, especially in the human clinical field. There is also a growing presence in fundamental research which is widely based on animal studies. The rat is used as an important model in biomedical research. As of today, there is no commercial neuronavigation system on the market dedicated to small animal experiments. In neuroscientific studies of the rat, the localization of targets in the brain is taken from stereotaxic coordinates using paper atlases and specifically designed stereotaxic frames. In this study, we developed a low-cost, high precision neuronavigation system dedicated to neuroscientific experiments in therat. More specifically, an ultrasound device was used to generate in vivo images of the rat skull which were then registered to a standard MRI image.Neuronavigation is based on the fusion between these two modalities; the ultrasound system conveying spatial information of the animal in the laboratory while being aligned to the precise anatomical image of the MRI. In this thesis, both photoacoustic (PA) and ultrasound (US) imaging were used to generate in vivo data. In the first experiment, we constructed a home-made ultrasound transducer that was further characterized for photoacoustic use. Although it was able to generate good quality phantom images, no in vivo signal could be consistently recorded. A commercial transducer, looking at PA-US fusion imaging was then used in the next experiments. While PA did not provide useful information that could be used for in vivo neuronavigation, US provided good enough image quality to perform registration with the MRI. The accuracy of the neuronavigation system reported here was characterized in a post mortemstudy. The accuracy of the neuronavigation device was defined by the distance between a selected target in the standard MRI brain and an injection site calculated from the injection zone measured on the histological slices. Results showed that the system had a mean error of 1.13mm, with a minimal error value of 500μm. These numbers attest to the potential of this neuronavigation method.