Un nouveau scanner portatif développé par des chercheurs de l'UCL peut générer des images photoacoustiques 3D très détaillées en quelques secondes seulement, ouvrant la voie à leur utilisation en milieu clinique pour la première fois et offrant la possibilité d'un diagnostic plus précoce de la maladie.
Dans l'étude, publiée dans Génie biomédical naturel, l'équipe montre que sa technologie peut fournir des analyses d'imagerie par tomographie photoacoustique (PAT) aux médecins en temps réel, leur fournissant des images précises et complexes des vaisseaux sanguins, contribuant ainsi à éclairer les soins aux patients.
L'imagerie par tomographie photoacoustique utilise des ondes ultrasonores générées par laser pour visualiser des changements subtils (un marqueur précoce de la maladie) dans les veines et les artères à une échelle inférieure au millimètre jusqu'à 15 mm de profondeur dans les tissus humains.
Cependant, jusqu’à présent, la technologie PAT existante était trop lente pour produire des images 3D de qualité suffisamment élevée pour être utilisées par les cliniciens.
Lors d'un scan PAT, les patients doivent être complètement immobiles, ce qui signifie que tout mouvement lors d'un scan plus lent peut rendre les images floues et ne garantit donc pas des images cliniquement utiles.
Les anciens scanners PAT mettaient plus de cinq minutes pour prendre une image. En réduisant ce temps à quelques secondes ou moins, la qualité de l'image est bien améliorée et bien plus adaptée aux personnes fragiles ou en mauvaise santé.
Les chercheurs disent le nouveau scanner pourrait aider à diagnostiquer le cancer, les maladies cardiovasculaires et l'arthrite d'ici trois à cinq ans, sous réserve de tests plus approfondis
L'auteur correspondant, le professeur Paul Beard (UCL Medical Physics and Biomedical Engineering et Wellcome/EPSRC Center for Interventional and Surgical Sciences), a déclaré : « Nous avons parcouru un long chemin avec l'imagerie photoacoustique ces dernières années, mais il y avait encore des obstacles à l'utilisation. cela à la clinique.
« La percée de cette étude réside dans l'accélération du temps nécessaire à l'acquisition des images, qui est entre 100 et 1 000 fois plus rapide que celui des scanners précédents.
« Cette vitesse évite le flou induit par le mouvement, fournissant ainsi des images très détaillées d'une qualité qu'aucun autre scanner ne peut fournir. Cela signifie également qu'au lieu de prendre cinq minutes ou plus, les images peuvent être acquises en temps réel, ce qui permet de visualiser des images dynamiques. événements physiologiques.
« Ces progrès techniques rendent le système adapté pour la première fois à une utilisation clinique, nous permettant d'examiner des aspects de la biologie humaine et des maladies que nous n'avions pas pu examiner auparavant.
« Des recherches supplémentaires sont désormais nécessaires auprès d'un plus grand nombre de patients pour confirmer nos résultats. »
Le professeur Beard a ajouté qu'une utilisation potentielle clé du nouveau scanner était d'évaluer l'arthrite inflammatoire, ce qui nécessite de scanner les 20 articulations des doigts des deux mains. Avec le nouveau scanner, cela peut être fait en quelques minutes – les anciens scanners PAT prennent près d'une heure, ce qui est trop long pour les patients âgés et fragiles, a-t-il déclaré.
Sommaire
Tester le scanner sur des patients
Dans l'étude, l'équipe a testé le scanner lors de tests précliniques sur 10 patients atteints de diabète de type 2, de polyarthrite rhumatoïde ou de cancer du sein, ainsi que sur sept volontaires sains.
Chez trois patients atteints de diabète de type 2, le scanner a pu produire des images 3D détaillées de la microvascularisation des pieds, mettant en évidence les déformations et les changements structurels des vaisseaux. Le scanner a été utilisé pour visualiser l’inflammation cutanée liée au cancer du sein.
L’une des complications dont souffrent souvent les personnes atteintes de diabète est la faible circulation sanguine dans les extrémités, comme les pieds et le bas des jambes, en raison de lésions des minuscules vaisseaux sanguins de ces zones. Mais jusqu'à présent, nous n'avons pas pu voir exactement ce qui se passe qui provoque ces dégâts ni caractériser leur évolution.
Chez l'un de nos patients, nous avons pu observer des vaisseaux lisses et uniformes dans le pied gauche et des vaisseaux déformés et ondulés dans la même région du pied droit, ce qui indique des problèmes pouvant entraîner des lésions tissulaires à l'avenir. L'imagerie photoacoustique pourrait nous fournir des informations beaucoup plus détaillées pour faciliter un diagnostic précoce, ainsi que mieux comprendre la progression de la maladie de manière plus générale. »
Andrew Plumb, professeur agrégé d'imagerie médicale à l'UCL et radiologue consultant à l'UCLH et auteur principal de l'étude
Tomographie photoacoustique
Depuis son développement initial en 2000, la PAT a longtemps été considérée comme ayant le potentiel de révolutionner notre compréhension des processus biologiques et d'améliorer l'évaluation clinique du cancer et d'autres maladies majeures.
Il fonctionne en utilisant l'effet photoacoustique, qui se produit lorsque les matériaux absorbent la lumière et produisent des ondes sonores.
Les scanners PAT fonctionnent en tirant de très courtes rafales laser sur les tissus biologiques. Une partie de cette énergie est absorbée, en fonction de la couleur de la cible, provoquant une légère augmentation de chaleur et de pression qui génère à son tour une faible onde ultrasonore contenant des informations sur le tissu. L'ensemble du processus se déroule en seulement une fraction de seconde.
Lors de recherches antérieures, des physiciens et des ingénieurs de l'UCL (dirigés par le professeur Beard) ont découvert que l'onde ultrasonore peut être détectée à l'aide de la lumière.
Au début des années 2000, ils ont mis au point un système dans lequel une onde sonore provoque d'infimes changements dans l'épaisseur d'un mince film plastique qui peuvent être mesurés à l'aide d'un faisceau laser hautement réglé.
Les résultats ont révélé des structures tissulaires jamais vues auparavant.
Comment PAT pourrait aider à la détection des maladies
Pour certaines affections, comme les maladies vasculaires périphériques (MVD), une complication du diabète, les premiers signes de modifications de minuscules vaisseaux sanguins révélateurs de la maladie ne peuvent pas être observés à l'aide de techniques d'imagerie conventionnelles telles que l'IRM.
Mais avec les images PAT, c’est possible – offrant la possibilité d’un traitement avant que les tissus ne soient endommagés et permettant d’éviter une mauvaise cicatrisation et une amputation, indique le journal. Le PVD touche plus de 25 millions de personnes aux États-Unis et en Europe, ajoute-t-il.
De même, dans le cas du cancer, les tumeurs présentent souvent une densité élevée de petits vaisseaux sanguins trop petits pour être visibles avec d’autres techniques d’imagerie.
Le Dr Nam Huynh de l'UCL Medical Physics and Biomedical Engineering, qui a développé le scanner avec son collègue le Dr Edward Zhang, a déclaré : « L'imagerie photoacoustique pourrait être utilisée pour détecter la tumeur et la surveiller relativement facilement. Elle pourrait également être utilisée pour aider les chirurgiens du cancer à mieux distinguer «
Le Dr Huynh a ajouté que l'un des principaux avantages de cette technologie était qu'elle était sensible à l'hémoglobine. Ce sont des molécules absorbant la lumière comme l’hémoglobine qui produisent les ondes ultrasonores.
Améliorer et tester la vitesse du scanner
Dans cette étude, les chercheurs de l'UCL ont cherché à surmonter le problème de vitesse en réduisant le temps nécessaire à l'acquisition des images. Ils y sont parvenus en innovant dans la conception du scanner et dans les mathématiques utilisées pour générer les images.
Contrairement aux anciens scanners PAT, qui mesuraient les ondes ultrasonores en plus de 10 000 points différents sur la surface des tissus, un par un, le nouveau scanner les détecte simultanément en plusieurs points, réduisant ainsi considérablement le temps d'acquisition des images.
L’équipe de recherche a également utilisé des principes mathématiques similaires à ceux utilisés dans la compression d’images numériques. Cela a permis de reconstruire des images de haute qualité à partir de quelques milliers (au lieu de dizaines de milliers) de mesures de l’onde ultrasonore, accélérant ainsi l’acquisition d’images. Ces innovations ont réduit le temps d'imagerie à quelques secondes ou moins d'une seconde, éliminant le flou de mouvement et permettant de prendre des images des changements dynamiques des tissus.
Les scientifiques ont déclaré que des recherches supplémentaires étaient nécessaires avec un groupe plus large de patients pour confirmer les résultats de leur étude et dans quelle mesure le scanner serait cliniquement utile dans la pratique.
Les premières mesures visant à développer la tomographie photoacoustique pour l'imagerie médicale ont été prises en 2000, mais les origines de la technique remontent à 1880, lorsque Alexander Graham Bell, ancien étudiant de l'UCL, tout juste après avoir inventé le téléphone, a observé la conversion de la lumière du soleil en son audible.
En 2019, des membres de l'équipe de recherche de l'UCL ont fondé DeepColor Imaging, une société dérivée de l'UCL qui commercialise désormais une gamme de scanners basés sur la technologie PAT dans le monde entier.
Cette recherche a été soutenue par Cancer Research UK, le Engineering & Physical Sciences Research Council, Wellcome, le Conseil européen de la recherche et le National Institute for Health Research University College London Hospitals Biomedical Research Centre.
