Principes et applications de l’imagerie optique in vivo Propagation de la lumière dans les tissus vivants Imagerie de fluorescence par réflexion Tomographie optique diffuse Opto-acoustique Jérôme Boutet (jerome.boutet@cea.fr)
Introduction Découverte dés 1885 Avantages Inconvénients Pas de rayonnement ionisant Technologie « cheap » Imagerie fonctionnelle Background marqueur important de la microscopie Inconvénients Profondeur de pénétration limitée de la lumière Technologie « jeune »
Introduction Positionnement de l’imagerie optique
Propriétés optiques des tissus vivants
L’absorption Loi de Beer-Lambert Coefficient d’absorption Dépend du taux d’oxygénation
Fenêtre thérapeutique L’absorption Notion de Fenêtre « physiologique » ou « thérapeutique » Fenêtre thérapeutique
L’absorption Ordre de grandeur pour un SO2 typique
La diffusion
La diffusion La partie non diffusée de la lumière s’écrit Anisotropie de diffusion Fonction de Henyey Greenstein : Décrit la probabilité pour un photon d’être diffusé suivant θ
Diffusion (fin) Coefficient de diffusion réduit :
Absorption et diffusion
Modèles utilisés Le déplacement de la lumière dans le milieu est aléatoire par nature 3 classes de modèles Modèles stochastiques Basés sur Monte Carlo Lumière considérée photon par photon Modèles déterministes Basés sur des équations différentielles partielles La lumière est considérée comme un champ Modèles hybrides Combine modèles stochastiques et déterministes
Modèles déterministes Équation de transfert radiatif (ETR) Équation de la diffusion Hypothèses : source de lumière isotrope et faibles variations des propriétés optiques Solutions analytiques en géométrie infinie et « slab » : fonctions de Green Résolution numérique sinon (volume ou éléments finis)
La fluorescence Diagramme de Jablonski Décalage de Stockes λexcitation < λemission Spectres d’absorption et d’émission Règle du miroir Em. ne dépend pas de Ex. Temps de vie
Les marqueurs fluorescents Marqueurs exogènes (agents de contraste) Fluorophores endogènes (autofluorescence) Modification génétique : protéines fluorescentes produites après la transcription Green Fluorescent Protein (GFP)
Les marqueurs fluorescents Exemples 1. Indocyanine Green (AMM !) Coeur lipidique Surfactant (lecithine) ~30 nm ~30 nm Co-surfactants (PEG)) Agents de furtivité 3. Angiostamp® spécifique 2. Lipidots (non-spécifique) ICG
Bioluminescence Principe Utilisation en biotechnologies Phénomène naturel Réaction photochimique de la luciférase (enzyme) sur la luciférine Utilisation en biotechnologies Étude d’infection par un pathogène (bioluminescent) Etude de progression de cancer (cellules souches de cancer implantées bioluminescentes)
A retenir Absorption µa Diffusion µs’ Modèles de propagation Fenêtre physiologique 700-900 nm (rouge et proche IR) Diffusion µs’ Diffusion isotrope dés que z> 1mm Modèles de propagation MonteCarlo ou (le plus précis) ETR simplifiée en Equation de le Diffusion (inversion possible) Grande diversité de µa et µs’ dans les tissus vivants Fluorescence Nécessite une source de lumière Lambdaex<lambdaem Marqueurs endogènes et exogènes/spécifiques et non-spécifiques Bioluminescence Ne nécessite pas de source de lumière GFP-Luciférace
Méthodes d’imagerie optique in vivo
Vue d’ensemble
Le plus simple : la F.R.I. Principe Caméra LED, Lampe, Laser Filtre Imagerie 2D
La F.R.I. Imagerie péropératoire Résection des métastases Localisation des ganglions sentinelles Meilleure résection des marges Protection des structures vitales
La F.R.I. Résection de tumeurs implantées
La F.R.I. Vasculaire
La tomographie optique continue Principe
La tomographie optique continue Reconstruction
La tomographie optique continue
La tomographie optique continue Applications précliniques
La tomographie optique continue Mammographie optique
La tomographie optique continue Application clinique : mammographie optique
La tomographie optique résolue en temps Principe
La tomographie optique résolue en temps Exemple d’application : guidage des biopsies de la prostate J.Boutet et al. Journal of Biomedical Optics, vol. 14, 2009
La tomographie optique résolue en temps Exemple d’application : guidage des biopsies de la prostate J.Boutet et al. Journal of Biomedical Optics, vol. 14, 2009
La tomographie optique résolue en temps Exemple d’application : guidage des biopsies de la prostate J.Boutet et al. Journal of Biomedical Optics, vol. 14, 2009
La tomographie optique résolue en temps Exemple d’application : mammographie J.Boutet et al. Journal of Biomedical Optics, vol. 14, 2009
La fusion avec d’autres modalités Applications précliniques
A retenir Le plus simple : la F.R.I La Tomographie optique continue Imagerie 2D Applications émergentes en péropératoire et vasculaire La Tomographie optique continue Permet d’acceder à la 3D, à la profondeur et à la quantification Applications à la mammographie Fonctionne en diffusion (carte des µa) et en fluorescence (marqueur) La Tomographie optique résolue en temps Permet d’atteindre une résolution millimétrique Applications émergentes mammographie et prostate La fusion de modalités US/Fluo RX/Fluo
L’imagerie opto-acoustique
L’imagerie opto-acoustique Générer des ultrasons (US) avec de la lumière Un laser envoie un train de pulses lumineux sur le tissu L’échauffement local entraine une expansion thermique Une onde de pression acoustique est générée Avantages Tirer parti de la très bonne résolution des US avec l’information fonctionnelle apportée par l’optique (vascularisation, oxygénation) Plus grande profondeur d’investigation in vivo que l’imagerie optique Non invasif : Pas de rayonnement ionisant ni d’injection de traceur
L’imagerie opto-acoustique NIR dyes (ICG, bleu de méthylène) Avantages: non toxiques Inconvénients: circulation courte Nanoparticules (SWCNT, NP d’Or) Avantages: lambda réglable & circulation longue & fonctionalisables Inconvénient: toxicité potentielle Détection du ganglion sentinelle sur le rat (bleu de méthylène)
L’imagerie opto-acoustique Visualisation d’un réseau vasculaire
L’imagerie opto-acoustique Application à la mammographie Balayage XY d’un laser (1064 nm) Transmission 590 détecteurs US Illumination par laser (755nm) 64 détecteurs US
L’imagerie opto-acoustique Application à la mammographie Résultats: Détection par OA de tumeurs invisible en mammographie X (Ermilov, 2009) (Manohar,2007) Autre application: détermination du stade du cancer du sein OA apporte une meilleure résolution et pas de rayonnement ionisant)
L’imagerie opto-acoustique Détection de l’hypoxie cérébrale
L’imagerie opto-acoustique Lésion de la prostate (Yaseen et al. 2010)
A retenir L’imagerie optoacoustique Applications possibles Combine les avantages de l’optique (contraste) et de l’échographie (résolution, profondeur) Visualisation des vaisseaux Taux d’oxygénation mesurable Ne requiert pas nécessairement d’agents de contraste Applications possibles Mammographie Prostate Inspection des artères
Conclusion L’imagerie optique Mais… Enjeux futurs Permet d’accéder à des informations fonctionnelles uniques (taux d’oxygénation) Les marqueurs fluorescents spécifiques offrent d’infinies possibilités C’est une technologie « cost effective » Sans rayonnement ionisant Mais… La profondeur d’investigation ne permet pas de couvrir toutes les pathologies L’injection de marqueur fluorescent requiert des études de toxicité longues et coûteuses (principal point dur actuel) Enjeux futurs Faire progresser les modèles (inversion Monte Carlo par GPU) Benchmark par rapport aux autres modalités Convaincre les industriels de financer les essais cliniques sur patients
Merci de votre attention