Avec la capacité de capturer des images détaillées des vaisseaux sanguins en quelques secondes, cette technologie révolutionnaire promet de révolutionner le diagnostic dans des domaines comme la rhumatologie, l'oncologie et la médecine cardiovasculaire.
Étude: Un scanner photoacoustique 3D tout optique rapide pour l'imagerie vasculaire clinique
Dans une étude récente publiée dans la revue Génie biomédical naturelles chercheurs ont développé un scanner de tomographie photoacoustique (PAT) tridimensionnelle (3D) pour une imagerie vasculaire rapide.
La visualisation de la microvascularisation à des profondeurs inférieures au centimètre est nécessaire pour une prise en charge clinique efficace des anomalies vasculaires. Les techniques d'imagerie optique sont prometteuses pour visualiser le flux vasculaire, l'anatomie et l'oxygénation. Néanmoins, la diffusion optique par les tissus limite la résolution spatiale ou la profondeur de pénétration. Même si l’imagerie échographique peut résoudre les problèmes de résolution et de profondeur, elle présente d’autres défis.
En tant que telle, l’imagerie photoacoustique constitue une alternative permettant de surmonter les limites de l’imagerie ultrasonore et optique. En PAT, un faisceau laser pulsé illumine le tissu ; l'absorption optique par l'hémoglobine génère un échauffement impulsif et, par la suite, des ondes ultrasonores à large bande. Une image peut être reconstruite en détectant ces ondes à la surface de la peau.
PAT surmonte les problèmes de portée et de résolution puisque les ondes ultrasonores sont moins diffusées que les photons dans les tissus. Néanmoins, la mise en œuvre du PAT présente des défis liés à l’instrumentation. Les détecteurs à ultrasons piézoélectriques conventionnels sont couramment utilisés dans les scanners PAT, mais ont une faible sensibilité pour les éléments de taille inférieure à 100 µm et une réponse en fréquence à large bande insuffisante.
L'étude et les résultats
Dans la présente étude, les chercheurs ont construit un scanner PAT rapide et entièrement optique pour l’imagerie vasculaire clinique. Le scanner sur mesure comprenait un oscillateur paramétrique optique (OPO) et un capteur à ultrasons Fabry-Perot (FP). L'OPO émet des impulsions laser nanosecondes (700 à 900 nm) délivrées via une fibre optique. La lumière provenant de l'extrémité distale de la fibre produit un large faisceau incident sur la tête du capteur à ultrasons FP. L'élément acoustiquement sensible est un interféromètre FP (FPI).
Après avoir traversé le capteur, le faisceau illumine les tissus situés en dessous, générant des ondes ultrasonores à large bande qui se propagent jusqu'au FPI. L'interférence entre la lumière réfléchie par deux miroirs FPI module la puissance optique réfléchie, qui est lue en balayant un réseau de ≤ 64 faisceaux laser focalisés sur la surface du capteur. Deux stratégies ont été mises en œuvre pour réduire les temps d'acquisition d'images.
Premièrement, le taux d’acquisition de la ligne A a été augmenté en parallélisant la lecture du capteur et en utilisant des lasers d’excitation à haute fréquence de répétition d’impulsions (PRF). La deuxième stratégie impliquait une détection compressée, permettant un sous-échantillonnage de l'ouverture de détection acoustique, ce qui réduisait le nombre de lignes A nécessaires à la construction de l'image. Le scanner a acquis des images vasculaires 3D in vivo d’adultes en bonne santé.
Les images ont été reconstruites en une seconde à l’aide de la méthode de l’espace k à partir de 34 560 lignes A ; la fréquence de la ligne A était de 6 400 secondes (s) et la durée totale de l'analyse était de 5,4 secondes. Dans l'ensemble, le scanner a fourni des images détaillées de la microvascularisation jusqu'à des profondeurs allant jusqu'à 15 mm ; les images étaient de qualité comparable ou supérieure à celles des scanners FP précédents. Les images acquises à 100 hertz (Hz) et 200 Hz PRF à des fréquences de ligne A de 6 400/s et 12 800/s ont réduit les temps d'acquisition à 3,2 s et 1,6 s, respectivement.
De plus, à 1 kHz, le débit de la ligne A est passé à 64 000/s et le temps de balayage total était de 0,3 s. La qualité de l’image n’a pas été excessivement compromise. Pour démontrer l'utilité clinique, des études de cas exploratoires ont été entreprises sur des patients présentant des modifications vasculaires suspectées liées à la polyarthrite rhumatoïde, à une maladie vasculaire périphérique (PVD) et à une inflammation cutanée.
Des images des pieds de patients présentant un risque de PVD des petits vaisseaux ont été acquises. La microcirculation du pied droit du patient était normale, mais le pied gauche présentait des symptômes de perfusion altérée. Les images montraient une tortuosité vasculaire dans le pied gauche, qui a été liée à une microvasculopathie associée au PVD.
Ensuite, la peau autour d’une papule surélevée après une piqûre d’insecte a été photographiée plusieurs fois sur sept jours. Le premier jour, les images ont révélé une microvascularisation dense et chaotique s’étendant de l’épiderme à l’hypoderme dans la région des papules. Le nombre de navires a progressivement diminué au fil du temps. Enfin, l’équipe a numérisé des images des articulations interphalangiennes d’un patient atteint de polyarthrite rhumatoïde.
L'articulation droite affectée dans la région tendineuse présentait un contraste plus élevé que l'articulation gauche non affectée. En outre, ils ont scanné les articulations de patients présentant une gravité accrue de la maladie et de cinq témoins sains. Les résultats ont montré des différences significatives entre les patients atteints d'une maladie active et les témoins, suggérant qu'une néoangiogenèse induite par l'inflammation pourrait être détectée.
Conclusions
Ensemble, les chercheurs ont développé un scanner photoacoustique basé sur un capteur à ultrasons FP haute résolution et ont évalué son potentiel en tant qu'outil d'imagerie clinique. Même si les scanners FP de première génération fournissent des images de haute qualité, ils nécessitent des temps de numérisation longs. Cette limitation a été surmontée grâce à des lectures parallélisées, des lasers à excitation PRF élevée et une détection compressée. Des images de haute qualité peuvent être acquises en quelques secondes sans compromettre la qualité. La PAT rapide et entièrement optique pourrait être utile en rhumatologie, en oncologie, en médecine cardiovasculaire et en dermatologie.
