Principes et applications de l`imagerie optique in vivo

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 ([email protected])
Introduction
 Découverte dés 1885
 Avantages




Pas de rayonnement ionisant
Technologie « cheap »
Imagerie fonctionnelle
Background marqueur important de la microscopie
 Inconvénients
 Profondeur de pénétration limitée de la lumière
 Technologie « jeune »
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Introduction
 Positionnement de l’imagerie optique
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Propriétés optiques des tissus vivants
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L’absorption
 Loi de Beer-Lambert
 Coefficient d’absorption
 Dépend du taux d’oxygénation
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L’absorption
 Notion de Fenêtre « physiologique » ou « thérapeutique »
Coefficient d'extinction molaire (cm-1/M)
1000000
Hb02
Fenêtre
thérapeutique
100000
Hb
10000
1000
100
250
350
450
550
650
750
850
950
Longueur d'onde (nm)
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L’absorption
 Ordre de grandeur pour un SO2 typique
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La diffusion
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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
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Diffusion (fin)
 Coefficient de diffusion réduit :
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Absorption et diffusion
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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
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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)
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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
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Les marqueurs fluorescents
 Marqueurs exogènes (agents de contraste)
 Fluorophores endogènes (autofluorescence)
 Modification génétique : protéines fluorescentes produites après la
transcription
 Green Fluorescent Protein (GFP)
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Les marqueurs fluorescents
 Exemples
1. Indocyanine Green (AMM !)
Coeur lipidique
Surfactant (lecithine)
~30 nm
Co-surfactants (PEG))
Agents de furtivité
3. Angiostamp® spécifique
ICG
2. Lipidots (non-spécifique)
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Bioluminescence
 Principe
 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)
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A retenir
 Absorption µa
 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
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Méthodes d’imagerie optique in vivo
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Vue d’ensemble
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Le plus simple : la F.R.I.
 Principe




Caméra
LED, Lampe, Laser
Filtre
Imagerie 2D
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La F.R.I.
 Imagerie péropératoire




Résection des métastases
Localisation des ganglions sentinelles
Meilleure résection des marges
Protection des structures vitales
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La F.R.I.
 Résection de tumeurs implantées
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La F.R.I.
 Vasculaire
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La tomographie optique continue
 Principe
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La tomographie optique continue
 Reconstruction
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La tomographie optique continue
(a)
8
7
6
5
4
3
2
15
Z
Y
4,5
X
(b)
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La tomographie optique continue
 Applications précliniques
Jour 10
Jour 12
Jour 14
(a)
(b)
(c)
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La tomographie optique continue
 Mammographie optique
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La tomographie optique continue
 Application clinique : mammographie optique
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La tomographie optique résolue en temps
 Principe
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La tomographie optique résolue en temps
 Exemple d’application : guidage des biopsies de la prostate
SYNC
Collection et
détection de la
fluorescence
PM
PM
PM
PM
Sonde endorectale
Laser
Sélection de la fibre d’excitation
CEA-LETI, VERMON
Sorties du laser
Fibres laser
Fibres de détection
Carte de
comptage
Inclusion
fluorescente
Points de détection
Prostate
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La tomographie optique résolue en temps
 Exemple d’application :
guidage des biopsies de la
prostate
source:6 det:4
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
time (ns)
2.5
3
3.5
4

M 0 ( x, y)   I ( x, y, t ).dt
0

M1 ( x, y)   I ( x, y, t ).t.dt
0
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La tomographie optique résolue en temps
 Exemple d’application : guidage des biopsies de la prostate
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La tomographie optique résolue en temps
 Exemple d’application : mammographie
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La fusion avec d’autres modalités
 Applications précliniques
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A retenir
 Le plus simple : la F.R.I
 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
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L’imagerie opto-acoustique
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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
Laser
pulsé
Tumeur maligne
•Vascularisée
•en hypoxie
E. lumineuse
absorbée par les tissus
Réémise en onde US
Echographe
 Avantages
Tumeur bénigne
•peu vascularisée
•oxygénée
 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
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L’imagerie opto-acoustique
 NIR dyes (ICG, bleu de méthylène)
 Avantages: non toxiques
 Inconvénients: circulation courte
 Nanoparticules (SWCNT, NP d’Or)
Détection du ganglion sentinelle
sur le rat (bleu de méthylène)
 Avantages: lambda réglable & circulation longue & fonctionalisables
 Inconvénient: toxicité potentielle
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L’imagerie opto-acoustique
 Visualisation d’un réseau vasculaire
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L’imagerie opto-acoustique
 Application à la mammographie
Illumination par laser (755nm)
64 détecteurs US
Balayage XY d’un laser (1064 nm)
Transmission
590 détecteurs US
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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)
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L’imagerie opto-acoustique
 Détection de l’hypoxie cérébrale
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L’imagerie opto-acoustique
 Lésion de la prostate
(Yaseen et al. 2010)
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A retenir
 L’imagerie optoacoustique
 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
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Conclusion
 L’imagerie optique
 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
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Merci de votre
attention