CE19 - Technologies pour la santé

Imagerie Optique Quantitative pour la Chirurgie du Foie – LiverSURG

Imagerie Optique Quantitative pour la Chirurgie du Foie

Malgré des progrès significatifs dans les technologies d'imagerie médicale, il n'existe actuellement aucun outil capable d'aider objectivement les professionnels de santé lors des transplantations hépatiques. Les chirurgiens comptent toujours sur leurs propres sens pour déterminer si une greffe est saine durant la procédure. Dans ce projet, nous proposons de développer des solutions innovantes pour permettre un guidage du geste chirurgical objectif pour la transplantation hépatique.

Objectif général du projet

Notre objectif général est de fournir un guidage objectif pendant la chirurgie de transplantation hépatique.<br />L'hypothèse sous-jacente à notre étude est que la lumière proche infrarouge (NIR) pénètre relativement profondément dans les tissus et est capable de fournir des informations critiques pendant la chirurgie. En particulier, l'oxy- et la désoxy-hémoglobine, l'eau et les lipides peuvent fournir des informations fonctionnelles, tandis que la diffusion peut fournir des informations micro-structurelles. Nous avons récemment développé une nouvelle méthode appelée Single Snapshot of Optical Properties (SSOP) qui s'appuie sur l'analyse de la réponse tissulaire dans le domaine fréquentiel spatial afin d’extraire ses propriétés optiques (absorption et diffusion). Parce que SSOP fonctionne entièrement dans le domaine fréquentiel, c'est aujourd'hui la première et la seule méthode permettant de fournir des images quantitatives à débit vidéo pendant la chirurgie.<br />Dans ce projet, nous proposons de développer des solutions innovantes pour permettre l'imagerie optique multispectrale quantitative en temps réel lors d'une chirurgie de transplantation hépatique. Pour résoudre ce problème difficile, nous avons constitué une équipe multidisciplinaire de scientifiques, d'ingénieurs et de chirurgiens. Le Pr Vibert de l'Hôpital Paul Brousse (HPB) à Paris est un expert des procédures de transplantation hépatique. Le Dr Diana de l'Institut Hospitalier Universitaire (IHU) de Strasbourg est un chirurgien expérimental expert spécialisé dans les techniques innovantes de guidage chirurgical. Enfin, le Pr Gioux a inventé le SSOP, et le laboratoire ICube possède une expertise éprouvée dans les méthodes photoniques avancées et la conception de systèmes de guidage chirurgical.

Afin d'atteindre notre objectif à long terme de fournir un guidage objective pendant la chirurgie de transplantation hépatique, nous proposons les objectifs suivants:

Objectif 1: Développer et valider de nouvelles méthodes d'acquisition et de traitement pour effectuer une imagerie SSOP multispectrale en temps réel: Nous proposons d’étudier une solution innovante qui consiste à moduler la lumière dans l'espace et dans le temps pour effectuer des SSOP multispectraux à des débits vidéo (> 25 images par seconde), de développer des méthodes de traitement et de visualisation en temps réel, puis d’implémenter cette solution soit sur FPGA, GPU ou sur une solution hybride basée sur les deux composants pour un affichage en temps réel.

Objectif 2: Développer et valider un système d'imagerie préclinique capable de réaliser des acquisitions SSOP multispectrales en temps réel: Nous proposons de développer un système d'imagerie dédié qui intègre le développement technologique proposé dans l'objectif 1. Le système sera composé d'un chariot contenant toute l’alimentation électrique et l'électronique, une tête d'imagerie pour effectuer des acquisitions SSOP multispectrales en temps réel et des affichages pour une visualisation en temps réel pendant la chirurgie.

Objectif 3: Etudier le potentiel de cette technologie lors de la chirurgie hépatique préclinique chez le porc blanc: Afin de valider notre hypothèse, nous étudierons la relation entre la viabilité des tissus à l'aide du dispositif et de la méthode développés dans les objectifs 1 & 2 chez le porc blanc, le modèle animal le plus proches de l'homme pour la chirurgie hépatique. Les mesures optiques seront comparées à l'analyse histologique. Enfin, nous préparerons toute la documentation nécessaire pour amener cette technologie en clinique dans l’objectif futur d’effectuer un essai pilote chez l'homme à l'hôpital Paul Brousse.

Objectif 1: Une nouvelle méthode d'imagerie large champ, quantitative et temps réel, a été développée et testée. Cette méthode a la capacité unique d'offrir une qualité d'image exceptionnelle sur des images de 1 mégapixel et avec un temps de traitement de 18 ms. Pour atteindre ces performances, nous avons développé une méthode qui ne nécessite qu'une seule image en entrée et permet de calculer les propriétés des tissus tout en tenant compte de la correction du profil de l'échantillon. Le traitement associé a été poussé à son maximum par l'utilisation du traitement d'apprentissage profond (apprentissage profond / réseau neuronal profond) en combinaison avec une implémentation GPU de bas niveau permettant un temps de traitement extrêmement rapide.

Objectif 2: Conception d'une tête d'imagerie optique personnalisée et conception d’une source lumineuse dédiée au projet. La tête optique permet de combiner 3 caméras en parallèle, une couleur pour les informations anatomiques nécessaires à la chirurgie et 2 caméras monochromes qui, associées à la méthode d'imagerie mentionnée ci-dessus, permettent une imagerie à plusieurs longueurs d'ondes (i.e. multispectrale) du champ chirurgical pour extraire des données vasculaires (oxygénation et perfusion). Une source lumineuse puissante dédiée a été conçue à partir de diodes LASER, tout en respectant les normes de sécurité LASER (le système est conforme à la classe 3R).

Développement de la méthode d’imagerie optique quantitative temps-réel la plus avancée jamais décrite.

Articles de journal:
1. Real-time, wide-field and high-quality single snapshot imaging of optical properties with profile correction using deep learning (in review)
2. Hyperspectral enhanced reality (HYPER) for anatomical liver resection Surgical Endoscopy Apr 2020

Conférences internationales:
1. Real-time processing and visualization of functional parameters
in living tissue with 3D profile correction– Photonics West 2020
2. Real-time, quantitative and wide-field oxygenation imaging
platform for surgery – Photonics West 2020
3. Real-time quantitative diffuse optical imaging for surgical
Guidance (invited) – Photonics West 2020
4. Real-time processing and visualization of functional and structural conditions of living tissue (accepted – COVID19) Photonics Europe 2020
5. Wide-field quantitative fluorescence imaging for safer oncologic surgery (accepted – COVID19) Photonics Europe 2020
6. Design of rigid endoscopic system for quantitative wide-field optical imaging of tissue optical properties (accepted – COVID19) Photonics Europe 2020
7. Hyperspectral imaging of liver ischemia in a porcine model: a proof of concept (iSMIT 2019, Heilbronn Germany)
8. Evaluation of a pocket-sized spectrometer for real-time assessment of liver graft macrosteatosis - A pilot study. European Association for the Study of the Liver (EASL), International Liver Congress, Paris 11-15 Avril 2018
9. Evaluation of a pocket-sized spectrometer for real-time assessment of liver graft macrosteatosis - A pilot study. International Liver Transplantation Society (ILTS), Lisbonne – Portugal, 23-26 Mai 2018

Conférences nationales:
1. Intérêt de la spectrométrie de poche pour l’évaluation extemporanée de la macrostéatose des greffons hépatiques. 13ème congrès francophone de chirurgie digestive et hépato-bilio-pancréatique (ACHBT-SFCD), Paris, 30 Novembre 2017

Les plupart des actes chirurgicaux se font à l’heure actuelle uniquement de façon subjective, se basant sur l’expérience du chirurgien, sans aucune aide objective au geste chirurgical. Il en résulte un taux inacceptable d’échec couteux tant autant pour les patients et leur qualité de vie que pour le système de santé. Il est donc primordial de développer de nouvelles méthodes objectives du guidage du geste chirurgical pour améliorer et harmoniser la qualité des soins.

Au 1er janvier 2018, 1437 malades sont en attente d’une transplantation hépatique. Le nombre de malades dans cette situation augmente régulièrement et il était de 574 malades il y a 10 ans. Tous les ans, 10 à 12% de ces patients vont mourir sur la liste d’attente. En grande majorité, ces chiffres sont la conséquence d’un manque de critères objectifs permettant de déterminer la qualité et donc la survie d’un greffon transplanté. De plus, suivant cette opération de transplantation, 7 à 10% des patients souffriront de déficiences fonctionnelles du foie. Bien que les raisons pour ces déficiences soient biens connues (entre autres, détérioration de la microcirculation, congestion veineuse, thrombose artérielle, asynchronies dans la régénération des hépatocytes entrainant une désorganisation physiologique), il n’existe à l’heure actuelle aucun outils permettant d’identifier ces déficiences à temps durant l’opération chirurgicale et donc d’intervenir au cours de la chirurgie. En conséquence, ces déficiences entrainent un coût important en termes de ré-opérations et sont à l’origine d’une diminution de 15% de l’espérance de vie des patients.

La lumière dans le domaine proche infrarouge, invisible à l’œil humain, a l’avantage de pénétrer profondément dans les tissus vivants et d’apporter des informations critiques pour le geste chirurgical. Par conséquent, l'imagerie optique est particulièrement prometteuse pour aider les chirurgiens à obtenir des informations critiques pendant l’acte chirurgical. En particulier, le contraste moléculaire endogène, telle que la concentration en hémoglobine, en lipides et en eau ainsi que le coefficient de diffusion permettent d’obtenir des informations précises sur l’état des tissus vivant.

Au cours de ce projet, nous proposons de développer des solutions innovantes permettant l’imagerie quantitative multispectrale des tissus vivants en temps réel pendant les chirurgies de transplantation du foie. Pour résoudre ce problème d’envergure, nous avons réuni une équipe multidisciplinaire de scientifiques, ingénieurs et chirurgiens. Le Pr. Vibert est un expert en transplantation hépatique à l’hôpital Paul Brousse (Paris). Le Dr. Diana est un chirurgien expérimental à l’Insitut Hospitalo-Universitaire de Strasbourg, spécialisé dans les nouvelles méthodes du guidage du geste chirurgical. Finalement, le coordonnateur du projet a inventé SSOP, et avec les autres équipes du laboratoire ICube à Strasbourg, ont prouvé une expertise reconnue en optique biomédicale et en chirurgie guidée par l’image.

Coordination du projet

Michel de Mathelin (Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie (UMR 7357))

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ICube Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Imagerie (UMR 7357)
IHU FCS IHU MIXSURG
HPB Physiopathologie et traitement des maladies du foie

Aide de l'ANR 490 591 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 48 Mois

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