Un nouveau scanner permet aux scientifiques de voir l’intérieur du corps humain en couleur 3D
Des chercheurs de Caltech et de l’USC ont créé une nouvelle approche d’imagerie médicale qui produit rapidement des images couleur 3D montrant à la fois la structure physique des tissus mous et le fonctionnement des vaisseaux sanguins. La technique a déjà été utilisée pour imager plusieurs parties du corps humain. Les scientifiques affirment que cela pourrait conduire à une meilleure imagerie du cancer du sein, à un meilleur suivi des lésions nerveuses liées au diabète et à de nouvelles façons d’étudier le cerveau.
Les détails des travaux ont été publiés dans Génie biomédical naturel.
Pourquoi les outils d’imagerie existants ne sont pas à la hauteur
L’échographie standard est rapide, abordable et largement utilisée, mais elle montre principalement la forme des tissus en deux dimensions et offre une zone de visualisation limitée. L’imagerie photoacoustique fournit un autre type d’informations. Il fonctionne en envoyant une lumière laser dans le corps et en détectant les ondes sonores produites lorsque certaines molécules absorbent cette lumière. Cela permet aux médecins et aux chercheurs de voir les vaisseaux sanguins en couleur optique et d’observer le flux sanguin dans les artères et les veines. Cependant, l’imagerie photoacoustique ne capture pas bien la structure détaillée des tissus.
D’autres méthodes d’imagerie courantes, notamment la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM), comportent des compromis. Ces techniques peuvent nécessiter des agents de contraste, exposer les patients à des rayonnements ionisants, être plus coûteuses ou prendre trop de temps pour être utilisées fréquemment.
Combiner échographie et imagerie photoacoustique
Pour surmonter ces limites, l’équipe de recherche a développé RUS-PAT (tomographie par ultrasons rotationnels, RUST, combinée à la tomographie photoacoustique, PAT). La tomographie photoacoustique a été développée pour la première fois il y a plus de deux décennies par Lihong Wang, professeur Bren de génie médical et de génie électrique et titulaire de la chaire de leadership en génie médical Andrew et Peggy Cherng à Caltech. Dans le PAT, les molécules tissulaires qui absorbent la lumière vibrent après avoir été frappées par de courtes impulsions laser, produisant des signaux acoustiques qui peuvent être mesurés et convertis en images détaillées.
Wang, qui est également directeur général de l’ingénierie médicale de Caltech, a déclaré que l’objectif du nouveau projet était de fusionner les atouts de l’échographie et de l’imagerie photoacoustique. “Mais ce n’est pas comme un plus un”, explique-t-il. “Nous devions trouver une manière optimale de combiner les deux technologies.”
Une conception plus simple et plus pratique
Les systèmes à ultrasons traditionnels s’appuient sur de nombreux transducteurs pour envoyer et recevoir des ondes sonores, ce qui rend l’intégration directe avec l’imagerie photoacoustique trop compliquée et coûteuse pour une utilisation à grande échelle. L’imagerie photoacoustique, en revanche, ne nécessite qu’une détection par ultrasons. Cette différence a conduit Wang à une nouvelle idée. “Je me suis dit : ‘Attendez, pouvons-nous simplement imiter l’excitation lumineuse des ondes ultrasonores en tomographie photoacoustique, mais le faire par ultrasons ?'”
En imagerie photoacoustique, la lumière laser se propage à travers les tissus et déclenche des ondes ultrasonores qui peuvent être mesurées. Wang s’est rendu compte qu’un seul transducteur à ultrasons à large champ pouvait envoyer des ondes sonores dans les tissus. Les mêmes détecteurs pourraient alors capturer les signaux des deux méthodes d’imagerie.
Le système final utilise un petit nombre de détecteurs en forme d’arc qui tournent autour d’un point central. Cette configuration fonctionne efficacement comme un détecteur hémisphérique complet, tout en restant beaucoup plus simple et moins coûteuse.
Potentiel démontré pour une utilisation humaine
“La nouvelle combinaison de techniques acoustiques et photoacoustiques répond à bon nombre des principales limites des techniques d’imagerie médicale largement utilisées dans la pratique clinique actuelle et, ce qui est important, la faisabilité d’une application humaine a été démontrée ici dans de multiples contextes”, explique le Dr Charles Y. Liu, co-auteur de l’étude et associé invité en biologie et en génie biologique à Caltech. Liu est également professeur à la Keck School of Medicine de l’USC, directeur du centre de neurorestauration de l’USC et président de neurochirurgie au centre national de réadaptation Rancho Los Amigos.
Étant donné que la méthode peut être utilisée partout où la lumière peut atteindre, RUS-PAT peut avoir de nombreuses applications cliniques. En imagerie du cancer du sein, cela pourrait aider les médecins à localiser précisément l’emplacement d’une tumeur tout en révélant des informations sur son activité biologique. Pour les patients atteints de neuropathie diabétique, la technique pourrait permettre aux médecins de surveiller à la fois la structure nerveuse et l’apport d’oxygène en un seul examen. Wang note également son potentiel pour la recherche sur le cerveau, où les scientifiques pourraient étudier l’anatomie du cerveau tout en observant simultanément la dynamique du flux sanguin.
Vitesse, profondeur et premiers tests
À l’heure actuelle, le système peut imager des tissus jusqu’à environ 4 centimètres de profondeur. La lumière peut également être délivrée à l’aide d’outils endoscopiques, qui peuvent permettre d’accéder à des zones plus profondes du corps. Chaque analyse RUS-PAT prend moins d’une minute.
La configuration actuelle place des transducteurs à ultrasons et un laser sous un lit de numérisation. Le système a déjà été testé sur des volontaires humains et des patients et en est maintenant aux premiers stades de sa transition vers une utilisation clinique.
Détails de l’étude et financement
L’article s’intitule « Échographie rotationnelle et tomographie photoacoustique du corps humain ». Les co-auteurs principaux sont Yang Zhang, Shuai Na et le Dr Jonathan J. Russin. Zhang et Na ont mené leurs travaux en tant que chercheurs postdoctoraux à Caltech et sont désormais basés respectivement à l’Université Tsinghua et à l’Université de Pékin à Pékin. Russin est affilié à la Keck School of Medicine de l’USC et au Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center à Downey, en Californie.
Les autres contributeurs de Caltech incluent 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 actuellement à l’Université du Zhejiang à Hangzhou, en Chine. Le Dr Tze-Woei Tan de la Keck School of Medicine de l’USC est également co-auteur. La recherche a été financée par les National Institutes of Health.
