Apporter la couleur optique à l’échographie

Kimm Fesenmaier

Grâce à une combinaison astucieuse de deux modalités d’imagerie, des scientifiques de Caltech et de l’USC ont développé une nouvelle technique capable de fournir rapidement des images 3D couleur capturant à la fois la structure des tissus mous et les détails du fonctionnement des vaisseaux sanguins. Les chercheurs ont utilisé cette nouvelle technique pour imager avec succès plusieurs parties du corps humain. La méthode promet d’améliorer l’imagerie des tumeurs mammaires, la surveillance des lésions nerveuses causées par le diabète et l’imagerie cérébrale, entre autres applications.

L’équipe décrit la nouvelle technique dans un article publié dans l’édition du 16 janvier de Nature Biomedical Engineering.

L’échographie traditionnelle fournit des informations structurelles rapidement et à moindre coût, mais elle a un champ de vision limité et ne montre la morphologie qu’en deux dimensions. Quant à l’imagerie photoacoustique, ses avantages et ses défis sont quelque peu opposés. Elle consiste à envoyer de la lumière laser dans le corps et à mesurer les ondes sonores qui en ressortent. Elle aide les médecins et les chercheurs à voir les molécules dans la vasculature en couleur optique, permettant de visualiser la circulation sanguine dans les veines et les artères. Cependant, l’imagerie photoacoustique est insuffisante en matière de détails structurels.

D’autres outils d’imagerie comme la tomodensitométrie (CT scan) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ont leurs propres inconvénients : ils nécessitent des agents de contraste, sont coûteux, impliquent l’utilisation de rayonnements ionisants, ou sont trop lents pour une utilisation régulière répétée.

Voici la solution : RUS-PAT (tomographie par ultrasons rotationnelle, RUST, combinée à la tomographie photoacoustique, PAT). Lihong Wang, professeur Bren de génie médical et électrique et titulaire de la chaire de leadership en génie médical Andrew et Peggy Cherng à Caltech, a développé la PAT il y a plus de 20 ans. Grâce à la PAT, les molécules du tissu qui absorbent la lumière optique sont imagées parce qu’elles se mettent à vibrer lorsqu’elles sont frappées par une lumière laser pulsée, générant des ondes acoustiques qui peuvent être mesurées et converties en images haute résolution.

Wang, qui est également le responsable exécutif du génie médical à Caltech, explique que l’objectif de son groupe avec ce travail était de combiner les avantages de la PAT avec l’échographie. « Mais ce n’est pas comme un plus un, dit-il. Nous devions trouver une manière optimale de combiner les deux technologies. »

L’échographie utilise typiquement de nombreux transducteurs pour générer et recevoir les ondes ultrasonores, et combiner ce processus directement avec la PAT serait trop complexe et coûteux pour une utilisation généralisée. La PAT, quant à elle, ne nécessite que la détection des ultrasons, ce qui a donné une idée à Wang. « Je me suis dit, « Attendez, pouvons-nous simplement imiter l’excitation lumineuse des ondes ultrasonores dans la tomographie photoacoustique, mais le faire par ultrasons ? » » La PAT permet à la lumière laser de diffuser dans le tissu, déclenchant finalement la production d’ondes ultrasonores mesurables. De même, Wang a pensé qu’ils pourraient utiliser un seul transducteur ultrasonore à large champ pour diffuser une onde ultrasonore largement dans le tissu.

Ils pourraient alors utiliser les mêmes détecteurs pour mesurer les ondes résultantes pour les deux modalités. Dans le nouveau système, un petit nombre de détecteurs en forme d’arc tournent autour d’un point central, lui permettant de se comporter comme un détecteur hémisphérique complet, mais avec une fraction de la complexité et du coût.

« La combinaison novatrice des techniques acoustiques et photoacoustiques répond à nombre des principales limites des techniques d’imagerie médicale largement utilisées dans la pratique clinique actuelle, et, surtout, la faisabilité pour une application humaine a été démontrée ici dans de multiples contextes, explique le Dr Charles Y. Liu, un auteur de l’article et chercheur associé en biologie et génie biologique à Caltech. Liu est également professeur à la Keck School of Medicine de l’USC, directeur du Neurorestoration Center de l’USC et chef du service de neurochirurgie au Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center.

La technique RUS-PAT pourrait potentiellement être utilisée dans n’importe quelle région du corps à laquelle la lumière peut être délivrée, et pour des applications où les cliniciens ou les chercheurs bénéficieraient de l’imagerie synergique à la fois de la morphologie et de la fonction liée à la couleur. Par exemple, RUS-PAT pourrait améliorer l’imagerie des tumeurs mammaires, donnant aux médecins la capacité de connaître l’emplacement exact et l’environnement d’une tumeur ainsi que sa pathologie et sa physiologie. Elle pourrait également aider les médecins à surveiller les lésions nerveuses causées par la neuropathie diabétique en fournissant un moyen tout-en-un pour surveiller l’apport en oxygène ainsi que la morphologie. Wang affirme que la technique pourrait aussi être utile en imagerie cérébrale, permettant aux scientifiques d’observer les détails structurels du cerveau tout en étant capables d’observer l’hémodynamique.

Actuellement, le système peut scanner jusqu’à une profondeur d’environ 4 centimètres. La lumière peut également être délivrée par endoscopie, rendant potentiellement les tissus plus profonds accessibles à la nouvelle technologie. Un scan RUS-PAT peut être réalisé en moins d’une minute.

Le dispositif actuel comprend un système de balayage avec des transducteurs ultrasonores et un laser logé sous un lit. Il a été démontré sur des volontaires et des patients humains et est aux premiers stades du développement translationnel.

L’article est intitulé « Tomographie par ultrasons rotationnelle et photoacoustique du corps humain ». Les premiers auteurs principaux de l’article sont Yang Zhang, Shuai Na et le Dr Jonathan J. Russin. Zhang et Na ont réalisé ce travail en tant que postdoctorants à Caltech et sont maintenant respectivement à l’Université Tsinghua et à l’Université de Pékin à Beijing. Russin est de la Keck School of Medicine de l’USC et du Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center à Downey, en Californie. Les autres auteurs de Caltech sont Karteekeya Sastry, Li Lin (PhD ’20), Junfu Zheng, Yilin Luo, Xin Tong (MS ’21), Yujin An, Peng Hu (PhD ’23) et l’ancien chercheur Konstantin Maslov. Lin est maintenant à l’Université du Zhejiang à Hangzhou, en Chine. Le Dr Tze-Woei Tan est co-auteur de la Keck School of Medicine de l’USC. Les travaux ont été soutenus par un financement des National Institutes of Health.

Source : Caltech