Aux États-Unis, plus d’un quart des adultes de plus de 40 ans souffrent d’une maladie oculaire, notamment du glaucome, de la cataracte ou de la dégénérescence maculaire liée à l’âge, ou d’un problème de santé chronique affectant les yeux, comme la rétinopathie diabétique. Ces conditions mettent à rude épreuve la santé d’un individu ainsi que le système de santé, mais un diagnostic et une prise en charge précoces peuvent aider à prévenir plus de 90 % des pertes de vision graves.
Chao Zhou, professeur de génie biomédical à la McKelvey School of Engineering de l’Université Washington de St. Louis, travaille à l’amélioration des systèmes de tomographie par cohérence optique (OCT) capables de réaliser une imagerie haute résolution des yeux. Désormais, grâce à un contrat pouvant aller jusqu’à 20 millions de dollars de l’Agence des projets de recherche avancée pour la santé (ARPA-H), il prévoit de créer un système OCT portable basé sur des circuits intégrés photoniques (PIC) et des circuits intégrés électroniques conçus sur mesure qui pourraient offrir des fonctionnalités avancées. le dépistage oculaire à un plus grand nombre de patients et à moindre coût. La technologie pourrait également être utilisée dans d’autres applications, telles que la cardiologie, la dermatologie, la dentisterie, l’endoscopie et l’urologie.
Le contrat fait partie du premier appel à propositions de l’ARPA-H pour des approches non conventionnelles visant à améliorer les résultats de santé des populations de patients, des communautés, des maladies et des problèmes de santé grâce à des recherches révolutionnaires et à des progrès technologiques. Il s’agit du premier contrat ARPA-H attribué à l’Université de Washington.
Les systèmes OCT traditionnels sont coûteux, complexes, encombrants et demandent beaucoup de main-d’œuvre à assembler et à calibrer. Le système proposé pèserait quelques kilos, prendrait des numérisations 3D haute résolution de la rétine en moins d’une seconde et représenterait une fraction du coût des systèmes traditionnels.
L’intégration de circuits intégrés photoniques et électroniques simplifie le processus d’assemblage et réduit les coûts de production, rendant l’OCT plus accessible à un plus large éventail d’établissements de santé et de patients. L’intégration de composants sur une puce photonique améliore également la stabilité et la robustesse globales, rendant ces systèmes moins sensibles aux influences environnementales et à l’usure, garantissant ainsi une durée de vie plus longue et des coûts de maintenance réduits.
Chao Zhou, professeur de génie biomédical, McKelvey School of Engineering, Washington University à St. Louis
Le groupe de Zhou a inventé la tomographie par cohérence optique à multiplexage par répartition spatiale (SDM-OCT), une technique qui prend simultanément plusieurs images OCT haute définition avec un seul détecteur et qui est au moins 10 fois plus rapide que les scanners OCT existants, ce qui crée moins de risques d’erreurs. du mouvement du patient. Cependant, ces systèmes nécessitaient beaucoup de temps et de main d’œuvre pour assembler les composants de chaque canal, ce qui limitait leur large utilisation.
Grâce au financement ARPA-H, Zhou et ses collaborateurs assembleront les composants dans une puce photonique en utilisant les progrès des processus complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs. Cela rationalisera la fabrication et réduira les coûts. Une fois fonctionnel, ils mèneront des études utilisant l’appareil sur des patients adultes et pédiatriques.
Le développement d’un système de puce photonique intégrée (PIC)-OCT entièrement intégré est très impactant mais également très difficile, ont déclaré les chercheurs. L’équipe a donc divisé son travail en huit parties, allant du développement de composants aux tests. À la fin du projet de cinq ans, l’équipe espère avoir développé des puces photoniques et électroniques ainsi que des prototypes PIC-OCT portables spécifiquement pour l’imagerie ophtalmique.
Le système proposé est plus de 50 fois plus rapide que les systèmes OCT commerciaux de pointe existants, pour une fraction du coût, ont indiqué les chercheurs. En optimisant et en intégrant les circuits photoniques et électroniques, les chercheurs peuvent créer un moteur intégré d’acquisition d’images et de traitement du signal dont les avantages s’étendent à d’autres domaines des soins de santé, tels que la détection du glucose et les imageurs cutanés portables.
Les collaborateurs de Zhou :
- Shu-Wei Huang, professeur adjoint de génie électrique, informatique et énergétique et de génie biomédical à l’Université du Colorado Boulder ;
- Aravind Nagulu, professeur adjoint de génie électrique et des systèmes à la McKelvey School of Engineering ;
- Rithwick Rajagopal, MD, PhD, professeur agrégé d’ophtalmologie et de sciences visuelles à la faculté de médecine de l’Université de Washington ;
- Margaret Reynolds, MD, professeur adjoint d’ophtalmologie et de sciences visuelles à la faculté de médecine de l’Université de Washington ; et
- Lan Yang, professeur Edwin H. et Florence G. Skinner d’ingénierie électrique et des systèmes à la McKelvey School of Engineering.
Yang a déclaré qu’il était dans son intérêt à long terme de transformer les connaissances en recherche photonique en technologies et produits tangibles ayant un impact sociétal de grande envergure, avec les applications en matière de soins de santé en tête de son agenda.
« Je suis ravi de faire partie de cette équipe multidisciplinaire qui vise à développer un nouveau système OCT doté de capacités et de fonctionnalités rendues possibles par les progrès des processus de nanofabrication pour les dispositifs optoélectroniques pilotés par diverses industries, des télécommunications aux centres de données et à l’électronique grand public », a déclaré Yang. . « Notre système OCT portable proposé, basé sur des circuits intégrés photoniques (PIC), fournira un dépistage oculaire avancé et rentable et étendra ses avantages à d’autres domaines médicaux. »
Rajagopal a déclaré que les ophtalmologistes ont bénéficié des informations diagnostiques offertes par la technologie OCT au cours des 15 dernières années, mais que les systèmes sont limités par la vitesse de numérisation et le champ de vision.
La plupart des scanners modernes ne peuvent imager que le centre même de la rétine – ; la macula – ; et nécessitent des patients coopératifs qui ont la mobilité nécessaire pour manœuvrer et rester stables sur un système de bureau pendant au moins 30 à 60 secondes (ou plus), a déclaré Rajagopal.
« Je suis enthousiasmé par les avantages cliniques potentiels offerts par le nouveau système du Dr Zhou, car il pourrait nous permettre d’effectuer des analyses de résolution beaucoup plus élevée et d’inclure une analyse périphérique simultanée en plus du centre rétinien, tout en prenant une fraction du temps requis. par les systèmes actuellement disponibles », a déclaré Rajagopal. « Nous pourrons donc peut-être scanner les patients incapables de coopérer pour l’imagerie oculaire traditionnelle, y compris les jeunes enfants et les adultes handicapés, sans avoir besoin de dilatation pupillaire ou d’examens sous sédation. »
L’équipe travaillera avec des fonderies commerciales pour fabriquer les circuits intégrés photoniques et électroniques.
« Non seulement ce système PIC-OCT entièrement intégré surpasse les systèmes OCT conventionnels, mais il offre également une excellente fabricabilité et robustesse et réduit l’encombrement de l’appareil », a déclaré Zhou. « En outre, la production de masse réduirait considérablement les coûts de fabrication, ouvrant la voie à une diffusion future à grande échelle. »
Bien que l’équipe dispose déjà de plusieurs brevets américains et internationaux liés au SDM-OCT, elle travaille avec le Bureau de gestion technologique de l’Université de Washington sur des demandes de brevet pour la conception améliorée. Ils travailleront également avec le bureau d’innovation de transition de l’accélérateur de projet ARPA-H et avec la Food & Drug Administration sur des considérations réglementaires afin d’ouvrir la voie à une future traduction clinique.
« Je suis très heureux de faire partie de cette équipe de classe mondiale pour poursuivre ce projet ambitieux qui fait de l’OCT une véritable solution sur le lieu d’intervention », a déclaré Huang. « C’est un exemple parfait montrant comment la technologie PIC peut être transformatrice dans des domaines autres que la communication et l’informatique. »
