Tianrui Zhao, du King’s College de Londres, a mis au point un endoscope photoacoustique composé de deux fibres optiques fines comme des cheveux. Image: King’s College de Londres
Une nouvelle technique d’imagerie médicale joue avec la lumière et les ondes sonores pour plus de précision.
Dans sa quête d’un appareil capable de transmettre la voix humaine, Alexander Graham Bell a expérimenté plusieurs dispositifs, dont un certain « photophone » en 1880 − auquel l’histoire a finalement préféré le téléphone. Quoi qu’il en soit, l’invention était ingénieuse : elle parvenait à transmettre des sons par de la lumière sur une distance de 200 m grâce à l’effet dit « photoacoustique ». Une preuve de concept de la fibre optique bien avant l’heure !
Cet effet, qui permet à certains objets d’absorber des rayons lumineux, puis d’émettre des ondes sonores, est tombé dans l’oubli pendant près d’un siècle jusqu’à l’essor du laser, dans les années 1970. Depuis, la photoacoustique est utilisée dans les laboratoires de physique entre autres pour étudier l’interaction de la lumière avec la matière et les gaz. Mais grâce à des progrès continus et à de nouveaux logiciels, la technique s’aventure aujourd’hui sur un nouveau territoire : celui de l’imagerie médicale. De plus en plus exploitée pour la recherche sur les petits animaux, elle commence même à faire ses preuves dans des essais cliniques pour le diagnostic des cancers du sein et de la thyroïde, des mélanomes, du psoriasis ou pour le guidage lors d’une intervention chirurgicale.
« La photoacoustique est un peu comme l’échographie, mais avec une résolution spatiale qui peut atteindre la dizaine de micromètres et un contraste à l’échelle moléculaire », résume Jérôme Gateau, chercheur au Laboratoire d’imagerie biomédicale de Sorbonne Université. L’immense atout? La technique donne des informations sur l’activité biologique des tissus, notamment l’oxygénation sanguine. Ce que fait aussi l’imagerie par résonance magnétique, mais à l’aide d’un immense appareil et à des coûts faramineux. Pour la photoacoustique, le matériel requis ressemble plutôt à un échographe associé à un laser. « Le coût et la portabilité sont des avantages », ajoute le chercheur.
Images photoacoustiques de la main, avec différents filtres permettant de voir la profondeur des vaisseaux ou uniquement le réseau artériel par exemple. Image: Matsumoto et coll., Scientific Reports (vol. 8, 2018)
Le principe est simple : on éclaire un tissu biologique au moyen d’impulsions laser de quelques nanosecondes, ce qui crée une légère augmentation de chaleur, de l’ordre de quelques millièmes de degré. Celle-ci entraîne une hausse de pression à l’échelon microscopique qui engendre l’émission d’ondes acoustiques qu’on détecte simplement avec un appareil à ultrasons. (Au risque de décevoir le lectorat, les organes illuminés ne se mettent pas à « chanter ».)
En faisant varier la longueur d’onde du laser, on peut exciter différents « absorbeurs » de lumière. Les lipides, l’eau, l’ADN et la mélanine sont ainsi de bons « chromophores », capables de dévoiler la dynamique interne d’un organisme. Mais l’une des molécules qui se prêtent le mieux au jeu est l’hémoglobine, qui transporte l’oxygène dans le sang. De quoi visualiser les microvaisseaux en 3D et en temps réel avec une précision inédite !
Chez les souris, les sondes dévoilent sans peine le système vasculaire du cerveau. « Presque toutes les maladies neurologiques provoquent des modifications de la vascularisation du cerveau. Cette approche, qui peut offrir une vue d’ensemble du cerveau d’une souris aussi bien que d’un seul vaisseau, est donc très prometteuse en recherche et en clinique », s’enthousiasme Junjie Yao, chercheur en ingénierie biomédicale à l’Université Duke et spécialiste de la tomographie photoacoustique.
Côté humain, en 2021, la Food and Drug Administration aux États-Unis a approuvé le premier appareil d’imagerie photoacoustique (de marque Imagio) pour le diagnostic du cancer du sein. « On peut voir la différence entre le sang oxygéné et le sang désoxygéné, ce qui permet même d’évaluer l’effet d’un traitement contre une tumeur », souligne Jean Provost, spécialiste de l’imagerie ultrasonore à Polytechnique Montréal, qui s’intéresse à cette technique hybride. Effectivement, une tumeur en pleine croissance sera mieux irriguée qu’une tumeur en régression. « Pour voir la même chose avec les techniques classiques, il faut injecter des agents de contraste radioactifs. »
La technique a tout de même un défaut… La lumière pénètre dans le corps sur quelques centimètres seulement, ce qui rend plus difficile la visualisation des organes profonds ou du cerveau humain (plus massif que celui de la souris). L’été dernier, une équipe de recherche britannique a toutefois mis au point un endoscope photoacoustique à fibre optique si fin qu’il loge dans une aiguille médicale ! Il pourrait servir à cibler les tissus à prélever pour les biopsies par exemple et donner accès aux organes plus profonds. En attendant, pour montrer la performance de son instrument, l’équipe a réussi à « photographier » des globules rouges de souris, à raison de trois images par seconde, sur une zone de 100 microns de diamètre. L’imagerie de précision entre dans une nouvelle ère !
Sein en bonne santé obtenue par tomographie photoacoustique en 15 secondes. Image: Wang/Caltech