Un nouveau système d’imagerie 3D pourrait combler les lacunes de l’IRM, du scanner et de l’échographie

Dans une étude de preuve de concept financée par les National Institutes of Health, des chercheurs de la Keck School of Medicine de l’USC et du California Institute of Technology (Caltech) ont démontré qu’une technique innovante et non invasive peut être utilisée pour collecter rapidement des images 3D du corps humain, de la tête aux pieds. La technologie combine l’échographie et l’imagerie photoacoustique, qui détecte les ondes sonores générées par la lumière, pour capturer simultanément des images des tissus et des vaisseaux sanguins. Les résultats, publiés dans la revue Nature Biomedical Engineering, pourraient combler des lacunes actuelles en imagerie médicale.

L’imagerie est une partie essentielle de la médecine moderne, éclairant les soins pour les blessures, infections, cancers, maladies chroniques et plus encore. Mais les techniques de référence actuelles – échographie, radiographie, tomodensitométrie (scanner) et imagerie par résonance magnétique (IRM) – ont chacune leurs limites. Celles-ci incluent le coût et le temps requis pour chaque examen, ainsi que ce que les images peuvent capturer : la quantité du corps visible en une fois, la profondeur atteinte et le niveau de détail fourni.

« Vous ne pouvez pas sous-estimer l’importance de l’imagerie médicale pour la pratique clinique. Notre équipe a identifié les principales limites des techniques existantes et développé une nouvelle approche pour les résoudre », a affirmé Charles Liu, MD, PhD, professeur de neurochirurgie clinique, d’urologie et de chirurgie à la Keck School of Medicine, directeur du USC Neurorestoration Center et co-auteur principal de la nouvelle recherche.

Pour montrer la polyvalence de cette technologie, les chercheurs ont utilisé le système pour imager plusieurs régions du corps humain : le cerveau, le sein, la main et le pied. L’imagerie cérébrale a été réalisée sur des patients atteints de lésions cérébrales traumatiques subissant une chirurgie, ayant temporairement une partie de leur crâne retirée. Les résultats montrent que la technologie peut capturer à la fois la structure des tissus et les vaisseaux sanguins sur une région jusqu’à 10 centimètres de large, le tout en environ 10 secondes.

« Nous avons conçu une nouvelle méthode qui change la façon dont les systèmes d’échographie et d’imagerie photoacoustique fonctionnent ensemble, ce qui nous permet d’obtenir une imagerie bien plus complète à des profondeurs significatives. C’est une avancée passionnante en diagnostic non invasif qui n’utilise ni rayonnements ionisants ni aimants puissants », a expliqué le co-auteur principal Lihong Wang, PhD, professeur Bren en ingénierie médicale et électrique et titulaire de la chaire Andrew et Peggy Cherng en leadership en ingénierie médicale à Caltech.

Une nouvelle plateforme d’imagerie

Pour la première fois chez l’humain, l’équipe de recherche a combiné deux méthodes d’imagerie, la tomographie ultrasonore rotationnelle (RUST) et la tomographie photoacoustique (PAT), pour créer ce qu’ils appellent RUS-PAT.

Similaire à une échographie standard, la RUST dirige des ondes sonores vers une zone imagée. Mais au lieu d’utiliser un seul détecteur pour créer une image 2D, elle utilise un arc de détecteurs pour recréer une image volumétrique 3D des tissus du corps. La PAT dirige un faisceau lumineux laser vers la même zone, qui est absorbé par les molécules d’hémoglobine dans le sang. Ces molécules vibrent et émettent des fréquences ultrasonores, mesurées par les mêmes détecteurs pour créer des images 3D des vaisseaux sanguins.

Le système RUS-PAT s’appuie sur des travaux antérieurs de l’équipe USC-Caltech, qui avaient montré que la PAT pouvait également être utilisée pour collecter des images de l’activité cérébrale.

RUS-PAT offre plusieurs avantages potentiels par rapport aux outils d’imagerie médicale existants. Sa construction est moins coûteuse qu’un scanner IRM, elle évite les radiations nécessaires aux radiographies et scanners, et fournit des images plus sophistiquées qu’une échographie conventionnelle.

« Lorsque nous considérons les limites critiques de l’imagerie médicale actuelle, y compris le coût, le champ de vision, la résolution spatiale et le temps de balayage, cette plateforme en aborde beaucoup », a souligné Liu.

Un potentiel clinique étendu

En imagant le cerveau, le sein, la main et le pied, les chercheurs ont démontré le potentiel de RUS-PAT pour une large gamme d’applications en santé. L’imagerie cérébrale joue un rôle central dans le diagnostic et le traitement des AVC, des lésions cérébrales traumatiques et des maladies neurologiques, tandis que l’imagerie mammaire soutient la prise en charge d’un des cancers les plus répandus dans le monde.

« La photoacoustique ouvre une nouvelle frontière d’étude chez l’humain, et nous croyons que cette technologie sera cruciale pour le développement de nouveaux diagnostics et de thérapies personnalisées », a déclaré Jonathan Russin, MD, co-premier auteur de l’étude et professeur et chef de la neurochirurgie à l’Université du Vermont.

Une imagerie rapide et peu coûteuse du pied pourrait également aider des millions de personnes vivant avec des complications du pied diabétique et des maladies veineuses.

« Cette approche a clairement le potentiel d’aider les cliniciens à identifier les membres à risque et à orienter les interventions pour préserver la fonction dans la maladie du pied diabétique et d’autres affections vasculaires », a indiqué Tze-Woei Tan, MD, coauteur et professeur associé de chirurgie clinique et directeur du Limb Salvage Research Program à la Keck School of Medicine.

Des travaux supplémentaires sont nécessaires avant que RUS-PAT ne soit prêt pour un usage clinique. Un défi majeur pour l’application cérébrale demeure que le crâne humain déforme les signaux du système, rendant difficile l’obtention d’images claires du cerveau. L’équipe de Caltech explore de nouvelles approches pour résoudre ce problème, y compris des ajustements de fréquence des ultrasons. Des améliorations supplémentaires sont également nécessaires pour garantir une qualité d’image cohérente entre les examens.

« Ceci est une étude précoce mais importante de preuve de concept, montrant que RUS-PAT peut créer des images médicalement significatives dans plusieurs parties du corps. Nous continuons maintenant à affiner le système en vue d’une future utilisation clinique », a conclu Liu.

En plus de Liu, Wang, Russin et Tan, les autres auteurs de l’étude sont Yang Zhang, Shuai Na, Karteekeya Sastry, Li Lin, Junfu Zheng, Yilin Luo, Xin Tong, Yujin An, Peng Hu et Konstantin Maslov du Caltech Optical Imaging Laboratory, Andrew and Peggy Cherng Department of Medical Engineering, California Institute of Technology.

Article : Rotational ultrasound and photoacoustic tomography of the human body – Journal : Nature Biomedical Engineering – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude