Imagerie optique 3D d'ondes mécaniques et des propriétés viscoélastiques de tissus biologiques pour la detection du cancer et de la scoliose – VISCO

La limite actuelle de la vitesse d'acquisition en OCT est liée à la nécessité de balayer mécaniquement l'échantillon ou certains éléments du système d'imagerie, ce qui limite l'utilisation de hautes vitesses.

L'approche utilisée dans le projet VISCO est d'utiliser une nouvelle configuration d'OCT ne nécessitant aucun balayage mécanique; l'OCT plein champ en domaine de Fourier. Cette configuration repose sur une détection hyperspectrale du signal interférométrique grâce à une caméra (en 2D), via un balayage de la longueur d'imagerie permettant de mesurer le spectre des interférences pour chaque pixel de l'image. Par transformée de Fourier, il devient alors possible de transformer l'information spectrale en information axiale (structures dans la profondeur de l'échantillon).

Néanmoins, il n'existe pas de source commerciale permettant l'imagerie rapide, haute résolution, et haut contraste en OCT plein champ en domaine de Fourier.

Un premier développement du projet VISCO a donc consisté à développer une nouvelle source d'imagerie, via l'utilisation d'une source laser supercontinuum, d'un filtre réglable acousto-optique (AOTF) permettant de filtrer une longueur d'onde donnée à plus de 130 kHz, et d'un système optique de fibre multimode permettant de rendre la source incohérente spatialement.

La seconde méthode principale du projet a été le développement d'un nouveau principe de détection pour l'OCT plein champ en domaine de Fourier. Pour atteindre, une imagerie à 100 volumes par seconde, il est nécessaire d'avoir une caméra pouvant acquérir à environ 20,000 images par seconde. Si de telles caméras ultra-rapides existent, elles sont environ 10 fois moins sensibles que les caméras usuelles, et ne permettent pas l'imagerie de petits signaux nécessaires en OCT. Nous avons développé dans le projet un nouveau protocole de détection basé sur l'utilisation de caméras à détection synchrone, permettant de démoduler des signaux jusqu'à 250 kHz, tout en conservant une bonne sensibilité.

Nous avons développé un nouveau module source décrit plus haut, et démontrer ses performances. Nous avons ensuite utilisé ce module permettant le balayage ultra-rapide des longueurs d'onde pour réaliser de l'imagerie OCT dans deux modes distincts:

-OCT en domaine temporel, pour lequel on peut utiliser le balayage rapide de longueur d'onde pour façonner un spectre large complexe de n'importe quelle forme spectrale en balayant le temps du temps d'exposition de la caméra (en 10 ms de temps d'exposition, nous pouvons balayer jusqu'à 3000 longueurs d'onde différentes, et ajuster le temps d'exposition relatif de chaque longueur d'onde pour ajuster la densité spectrale de puissance à l'envie).

Nous avons pu démontrer l'imagerie de plans 2D avec différents spectres, et pu démontrer l'avantage de cette configuration pour l'imagerie d'un contraste spectroscopique, permettant d'ajouter un nouveau contraste d'imagerie.

-OCT en domaine de Fourier. Nous avons pu démontrer l'imagerie de volumes 3D à quelques volumes/seconde (limité par la caméra à ce stade) grâce au balayage rapide de la source. Grâce au module source, nous avons pu démontrer un record mondial de résolution axiale en OCT plein champ en domaine de Fourier, en améliorant la résolution d'un facteur 5 par rapport à l'état de l'art, permettant l'imagerie de structures subcellulaires.

Enfin, nous avons pu démontrer l'utilisation d'une nouvelle stratégie de détection de la lumière en OCT plein champ via l'utilisation d'une caméra à détection synchrone et différentes techniques de modulation du signal.

En combinant ces deux élements, l'objectif est ainsi de réaliser de l'imagerie volumétrique 3D, et de réaliser de l'OCT dynamique et l'imagerie élastographique 3D en quelques secondes, en améliorant ainsi d'un facteur 100 la vitesse d'imagerie par rapport à l'état de l'art.

Cela permettra de mesurer les propriétés viscoélastiques des échantillons, en parallèle de l'activité cellulaire d'un tissu, et ainsi de mieux comprendre le lien entre l'activité des cellules, et les propriétés mécaniques des tissus.

Le microscope ainsi développé permettra ainsi la corrélation entre l’architecture du tissu, la physiologie des cellules qui le composent, et la viscoélasticité de la matrice extracellulaire et des cellules, et ainsi d’étudier les relations et dépendances entre ces différentes propriétés.

Une des questions essentielles de biophysique qui sera étudiée est comment les propriétés viscoélastiques des tissus peuvent permettre de transmettre un signal biologique. Deux cas pathologiques, le développement de tumeurs invasives, et le développement de l’axe du corps, dans le cadre de la scoliose idiopathique, sur modèle de poisson zèbre seront particulièrement étudiés.prochainement

La mesure quantitative des propriétés viscoélastiques des cellules et de leur microenvironnement est fondamentale pour de nombreux projets de biologie et physique fondamentale, et pour le diagnostic biomédical. Néanmoins, il n’existe à ce jour pas de solution technologique adaptée. Le but du projet VISCO est d’inventer une nouvelle imagerie optique 3D sans marquage pour mesurer les propriétés viscoélastiques d’un tissu biologique épais à l’échelle cellulaire, et de corréler cette information à la physiologie des cellules qui le composent. Un nouveau microscope sera construit sur le principe de la tomographie à cohérence optique plein champ dans le domaine spectral, afin d’obtenir des cartes de déplacements mécaniques micrométriques en 3D et à haute cadence, et ainsi reconstruire l’élasticité et la viscosité du milieu. Nous utiliserons cette nouvelle technologie pour le diagnostic histopathologique et la caractérisation de l’élasticité musculaire dans un modèle animal de scoliose idiopathique.

Plus précisément, la tomographie à cohérence optique plein champ repose sur l’enregistrement d’un interferogramme optique 2D avec une source à faible cohérence, de telle sorte à ce que le terme d’interférence soit localisé à une profondeur donnée dans l’échantillon. En mesurant cet interférogramme à des longueurs d’ondes multiples, une information axiale peut être retrouvée par le biais d’une transformée de Fourier. Le projet VISCO vise à créer un tel microscope pouvant permuter entre deux configurations ; une pouvant réaliser des acquisitions à haute résolution à 100 volumes/s et une seconde permettant d’augmenter la cadence à 20 000 volumes/s au prix d’une perte de résolution.

Ce montage va permettre de réaliser de la tomographie à cohérence optique volumétrique à haute résolution et haute cadence. L’analyse des fluctuations intrinsèques du signal au cours du temps permet d’imager les cellules présentes dans un tissu, car elles ont des fluctuations plus importantes dues au transport actif réalisé par les cellules. L’analyse de ces fluctuations nous permet de remonter également au métabolisme de la cellule et à sa physiologie, et sera effectué en 3D simultanément pour la première fois au cours du projet VISCO.

De plus, ces acquisitions de données permettront de mesurer des déformations locales induites dans le tissu, afin de mesurer les propriétés viscoélastique du tissu. La déformation transverse va être mesurée par corrélation d’images 2D, et la déformation axiale par la mesure de la différence de phase entre deux plans successifs du volume, ce qui n’est possible dans les tissus qu’avec l’imagerie volumétrique développée dans la première partie du projet.
Ainsi, des contraintes vont être appliquées sur l’échantillon, soit sous forme de cisaillement large échelle, soit via la génération d’ondes de cisaillement. La déformation locale induite sera alors mesurée pour étudier les propriétés rhéologiques du milieu. Grâce à la versatilité du montage optique développé, le tenseur de déformation complet pourra être mesuré, et ce pour différentes contraintes, permettant de tester de nombreux modèles rhéologiques des tissus à l’échelle cellulaire.

Le microscope ainsi développé permettra ainsi la corrélation entre l’architecture du tissu, la physiologie des cellules qui le composent, et la viscoélasticité de la matrice extracellulaire et des cellules, et ainsi d’étudier les relations et dépendances entre ces différentes propriétés. Une des questions essentielles de biophysique qui sera étudiée est comment les propriétés viscoélastiques des tissus peuvent permettre de transmettre un signal biologique. Deux cas pathologiques, le développement de tumeurs invasives, et le développement de l’axe du corps, dans le cadre de la scoliose idiopathique, seront particulièrement étudiés.