Parfois, le progrès scientifique prend la forme de la découverte de quelque chose de complètement nouveau. D’autres fois, le progrès consiste à faire quelque chose de mieux, plus rapidement ou plus facilement. La technologie d'imagerie photoacoustique améliorée de Caltech, PACTER, simplifie les procédures opérationnelles, permet d'obtenir une imagerie tridimensionnelle et réduit la complexité opérationnelle, marquant ainsi une avancée majeure dans le domaine de l'imagerie médicale.

Des recherches récentes à Caltech ont abouti à des améliorations significatives d'une technologie d'imagerie photoacoustique appelée PATER, qui a maintenant été développée en PACTER. La nouvelle version simplifie la technologie, réduisant le besoin de plusieurs capteurs, permettant une imagerie tridimensionnelle et éliminant le besoin d'étalonnage avant chaque utilisation. Ces avancées rendent la technologie plus pratique et plus efficace dans les applications d’imagerie médicale. Source : Caltech

Les dernières recherches du laboratoire de Leehom Wang, professeur Bren de génie médical et de génie électrique à Caltech, entrent dans cette dernière catégorie. Dans un article publié dans la revue Nature Biomedical Engineering, Leehom Wang et le chercheur postdoctoral Zhang Yide montrent comment ils ont simplifié et amélioré une technique d'imagerie qu'ils avaient annoncée pour la première fois en 2020.

Cette technologie, une technique d'imagerie photoacoustique appelée PATER (Photoacoustic Topography via Polarity Relay), est une spécialité du groupe de recherche de Wang Jianmin.

Améliorations de la technologie d’imagerie photoacoustique

En imagerie photoacoustique, les impulsions laser pénètrent dans les tissus et sont absorbées par les molécules tissulaires, provoquant la vibration de ces molécules. Chaque molécule vibrante est une source d’ondes ultrasonores, qui peuvent être utilisées pour imager les structures internes d’une manière similaire à l’imagerie ultrasonore.

Cependant, l’imagerie photoacoustique est techniquement difficile car elle produit toutes les informations d’imagerie en peu de temps. Pour capturer ces informations, les premières versions de la technologie d'imagerie photoacoustique de Wang nécessitaient des réseaux de centaines de capteurs (transducteurs) pressés contre la surface du tissu en cours d'imagerie, ce qui rendait la technologie complexe et coûteuse.

Wang et Zhang ont réduit le nombre de capteurs nécessaires en utilisant un dispositif appelé « relais Maiji », qui ralentit le flux d'informations (sous forme de vibrations) dans le capteur. Comme l’expliquaient les rapports précédents sur PATER :

En informatique, il existe deux méthodes principales de transfert de données : en série et en parallèle. Lors de la transmission série, les données sont envoyées sur un canal de communication en un seul flux de données. En transmission parallèle, plusieurs données sont envoyées simultanément via plusieurs canaux de communication.

Ces deux méthodes de communication sont à peu près similaires à la façon dont les caisses enregistreuses sont utilisées dans les magasins. La communication série est comme une caisse enregistreuse. Tout le monde est dans la même file et voit le même caissier. La communication parallèle, c'est comme avoir plusieurs caisses enregistreuses, chacune avec une ligne.

Le système conçu par Wang avec 512 capteurs est similaire à un magasin doté de nombreuses caisses enregistreuses. Tous les capteurs fonctionnent simultanément et chaque capteur reçoit des données partielles provenant des vibrations ultrasonores générées par les impulsions laser.

Étant donné que les vibrations ultrasonores émises par le système sont générées dans un court laps de temps, un seul capteur serait dépassé si toutes les données devaient être collectées dans un laps de temps aussi court. C’est là qu’intervient le relais magellanique.

Comme le décrit Leehom Wang, un répéteur ergodique est une cavité qui permet au son de se répercuter autour de lui. Lorsque les vibrations ultrasonores traversent le répéteur ergodique, elles s’étirent dans le temps. Pour en revenir à l'analogie avec la caisse enregistreuse, cela reviendrait à demander à un autre employé d'aider un seul caissier en disant aux clients de se promener dans le magasin jusqu'à ce que le caissier soit prêt à les gérer, afin que le caissier ne se bouscule pas.

PACTER : prochaines étapes

La dernière version de cette technologie, appelée PACTER (PhotoacousticComputedTomographyThroughanErgodicRelay), va encore plus loin, permettant au système de fonctionner avec un seul capteur et, grâce à l'utilisation d'un logiciel, de collecter autant de données que 6 400 capteurs.

Wang, qui est également titulaire de la chaire Andrew et Peggy Cherng en leadership en génie médical et directeur général du génie médical, a déclaré que PACTER améliore PATER de deux autres manières.

L'une des améliorations est que PACTER peut générer des images en trois dimensions, alors que PATER ne peut générer que des images en deux dimensions. Cela est dû au développement de logiciels améliorés.

"La transition vers l'imagerie 3D a considérablement accru les besoins en données. Le défi auquel nous sommes confrontés est de savoir comment transmettre ces données massivement augmentées via un seul capteur", a déclaré Zhang. "Nous avons trouvé la solution en modifiant notre approche. Au lieu d'employer directement des méthodes de calcul intensives pour reconstruire des images 3D à partir de données d'un seul capteur, nous avons d'abord étendu un capteur à des milliers de capteurs virtuels. Cette idée simplifie le processus de reconstruction d'images 3D, en le rapprochant de nos méthodes traditionnelles d'imagerie photoacoustique. "

Deuxièmement, contrairement à PATER, PACTER ne nécessite pas d’étalonnage à chaque utilisation.

"Avec PATER, nous devons le calibrer à chaque fois que nous l'utilisons, et c'est irréaliste. Nous nous débarrassons de cet étalonnage unique à chaque fois que nous l'utilisons", a déclaré Wang. L'étalonnage est nécessaire car lorsque le système envoie des impulsions laser dans les tissus, « l'écho » de l'impulsion rebondit sur le transducteur, le rendant incapable de détecter les informations ultrasonores directes. PACTER résout ce problème en ajoutant une ligne à retard au système. La ligne à retard force l'écho à emprunter un chemin physique plus long pour revenir au transducteur afin qu'il atteigne le transducteur après avoir reçu les informations ultrasonores directes.

L'article décrivant le travail, « Imagerie longitudinale ultrarapide de l'hémodynamique avec tomographie photoacoustique volumique à un seul coup utilisant des détecteurs à élément unique », apparaît dans le numéro du 30 novembre de Nature Biomedical Engineering. Les co-auteurs de l'article comprennent : Hu Peng (Ph.D. 23 ans), un ancien étudiant diplômé en génie médical ; Li Lei (Ph.D. 19 ans), ancien boursier postdoctoral en génie médical ; Cao Rui, boursier postdoctoral en génie médical ; Anjul Khadria, ancien boursier postdoctoral en génie médical ; Konstantin Maslov, un ancien scientifique de Caltech ; Tong Xin, étudiant diplômé en génie médical ; et Zeng Yushun, Jiang Laiming et Zhou Qifa de l'Université de Californie du Sud.

Le financement de la recherche a été fourni par les National Institutes of Health.

Source compilée : ScitechDaily