Une équipe de chercheurs britanniques a conçu un nouvel endoscope qui utilise le son et la lumière pour imager des échantillons de tissus à l'échelle moléculaire, basé sur un détecteur suffisamment petit pour tenir dans une aiguille médicale. Dans leur étude, Wenfeng Xia et collègues de King College de Londres ainsi que University College London amélioré plusieurs aspects clés de la technique d’imagerie photoacoustique – garantissant des temps d’imagerie rapides sans sacrifier la taille de l’équipement requis.
L'endoscopie photoacoustique est une technique de pointe qui combine l'échographie et l'imagerie endoscopique optique pour constituer des images médicales 3D. Il fonctionne en envoyant des impulsions laser à travers la fibre optique d'un endoscope, qui sont absorbées par les structures microscopiques à l'intérieur du corps. En absorbant l'énergie lumineuse, ces structures génèrent des ondes acoustiques, elles-mêmes captées par un détecteur à ultrasons piézoélectrique et converties en images.
La technique permet aux chercheurs de sélectionner un large éventail de structures microscopiques : des cellules individuelles aux brins d’ADN. Il répond déjà à de nombreuses limitations des endoscopes purement optiques, notamment leur incapacité à pénétrer à travers plus de quelques couches de cellules. Pourtant, malgré ces avantages, l’endoscopie photoacoustique est toujours confrontée à un compromis : pour atteindre des vitesses d’imagerie plus élevées, elle nécessite des détecteurs à ultrasons plus volumineux et plus coûteux, ce qui limite son applicabilité en chirurgie mini-invasive.
Pour relever ce défi, l'équipe de Xia a introduit une nouvelle approche. La conception – rapportée dans Optique biomédicale Express – présente d’abord un « micromiroir numérique » contenant un ensemble de près d’un million de miroirs microscopiques, dont les positions peuvent chacune être rapidement ajustées. Les chercheurs ont utilisé cette configuration pour façonner avec précision les fronts d’onde des faisceaux laser utilisés pour balayer les échantillons.
Au lieu d'un détecteur à ultrasons piézoélectrique, les chercheurs ont introduit un microrésonateur optique beaucoup moins encombrant. S'installant sur l'extrémité d'une fibre optique, ce dispositif contient un espaceur époxy déformable pris en sandwich entre une paire de miroirs spécialisés. Les ondes ultrasonores entrantes déforment l’époxy, modifiant la distance entre les miroirs. Cela entraîne des changements dans la réflectivité du microrésonateur à mesure que l'endoscope est balayé par trame sur les échantillons.
Lorsqu'elles sont interrogées avec un deuxième laser, envoyé à l'extrémité de l'endoscope le long d'une fibre optique distincte, ces variations modifient la quantité de lumière réfléchie le long de la fibre. En surveillant ces changements, un algorithme développé par l'équipe peut créer des images de l'échantillon et les utiliser pour calculer la manière dont le front d'onde du laser à balayage peut être ajusté afin de produire des images plus optimales. Avec ces informations, le micromiroir numérique est ajusté en conséquence et le processus se répète.
En ajustant la distance focale du faisceau laser de balayage, l'endoscope peut également scanner des échantillons depuis leurs surfaces jusqu'à des profondeurs de 20 µm, permettant ainsi à l'équipe de Xia de créer des images 3D optimisées en temps réel.
Pour démontrer ces capacités uniques, les chercheurs ont utilisé leur appareil pour imager un groupe de globules rouges de souris, répartis sur une zone d'environ 100 µm de diamètre. En assemblant une mosaïque de scans photoacoustiques, l’endoscope a produit des images 3D des cellules, à des vitesses d’environ 3 images par seconde.
Forts de leur succès, Xia et ses collègues espèrent désormais que leur endoscope pourrait inspirer de nouvelles avancées en matière de chirurgie mini-invasive, permettant aux cliniciens d’évaluer la composition des tissus à l’échelle moléculaire et cellulaire en temps réel. Dans les études futures, l’équipe visera à explorer comment l’intelligence artificielle pourrait contribuer à améliorer encore davantage les vitesses d’imagerie photoacoustique.
