Brevet FR2902880A1 — publié le 20071228

DISPOSITIF ET PROCEDE D'IMAGERIE POUR OBTENIR DES INFORMATIONS D'UNE CIBLE BIOLOGIQUE L'invention concerne le domaine technique général des procédés et dispositifs d'imagerie pour obtenir des informations d'une cible biologique. L'invention permet de voir en profondeur in vivo et ex vivo, les modifications structurelles des tissus biologiques ainsi que les altérations cytologiques. Elle peut être employée dans des applications cliniques et diagnostiques et des applications en recherche pré-cliniques. Elle peut par exemple contribuer au diagnostic d'une dysplasie ou à la détection de tumeurs. PRESENTATION GENERALE DE L'ART ANTERIEUR On connaît de multiples procédés d'imagerie pour de la matière biologique, et plus particulièrement de la matière biologique vivante. Ces procédés peuvent nécessiter des prélèvements d'échantillons avant d'effectuer des observations par microscopies, ou peuvent être réalisés in vivo de manière à pouvoir observer le comportement de l'échantillon biologique dans son environnement. Dans ce cas, les procédés d'imageries peuvent être invasifs, nécessitant d'amener les moyens nécessaires à la mise en oeuvre du procédé à proximité de la cible à analyser, ou non invasif, c'est-à-dire réalisés à partir de la surface de l'organisme dans lequel se situe la matière biologique cible. Parmi les procédés invasifs, on citera notamment l'imagerie optique dans la lumière visible au moyen d'un endoscope médical, ou encore la détection de cellules marquées au moyen de marqueurs radiologiques ou autres agents de contraste, pouvant également être effectuée au moyen d'un endoscope médical. Parmi les moyens non invasifs, on citera la radiographie à Rayons X , le scanner, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) et les ultrasons. Chaque procédé d'imagerie particulier comporte ses propres contraintes et limites, quant à sa mise en oeuvre et quant aux informations obtenues. Ainsi, l'obtention d'images avec des informations 3D nécessite la mise en oeuvre de procédés coûteux de type scanner à Rayons X, IRM. ou ultrasons. Si ces techniques permettent de détecter certaines tumeurs, elles ne 2 2902880 permettent pas d'identifier des tumeurs précoces, du fait de leur faible résolution spatiale. Il existe d'autres technologies d'imagerie médicale avec une source lumineuse de type Laser comme la technologie dite OCT pour Optical 5 Coherence Tomography (US 2001/0043332).L'OCT permet de voir les modifications structurelles des tissus biologiques mais en raison de sa faible résolution latérale, elle ne permet pas d'observer les altérations cytologiques. La présente invention concerne donc un nouveau procédé d'imagerie pour de la matière biologique, permettant l'obtention des informations 10 différentes de celles obtenues avec les technologies d'imagerie existantes, susceptible notamment de permettre la détection de tumeurs de l'ordre du micromètre, PRESENTATION DE L'INVENTION 15 La présente invention concerne donc un procédé d'imagerie d'une cible comprenant une matière biologique au moyen d'un rayonnement laser, l'émission, la réception du rayonnement et le traitement du rayonnement reçu étant réalisé par la technologie dite LOFI . La technologie dite LOFI , pour Laser Optical Feedback Imaging 20 est décrite notamment dans la demande de brevet EP 1 019 704, en particulier pour la détection de fuites de gaz. Cette technologie d'imagerie comprend essentiellement les étapes suivantes : - l'émission, grâce à un laser, d'un rayonnement laser à une première 25 fréquence optique vers la cible pour éclairer celle-ci, - le décalage en fréquence du rayonnement laser émis à une deuxième fréquence optique, le décalage en fréquence entre les première et deuxième fréquences étant égal ou de l'ordre de grandeur à une fréquence de relaxation du laser, 30 - la réception d'une partie du rayonnement laser émis, le rayonnement laser reçu correspondant au rayonnement laser réfléchit ou retrodiffusée par la cible éclairée, la réinjection dans une cavité du laser du rayonnement laser reçu, - la détection de la perturbation apportée au rayonnement laser émis 35 par le rayonnement laser reçu réinjecté, les perturbations détectées étant ensuite traitées pour l'obtention d'une image appropriée pour son analyse. On entend, dans le cadre de la présente invention, par image , une image en deux ou trois dimensions, ou tout signal représentatif des 5 caractéristiques de la cible. La cible comprenant de la matière biologique est choisie notamment parmi les cellules, les tissus ou les organes. On pourra citer des échantillons sanguins ou encore des tissus osseux ou des tissus épithéliaux comme les tissus constituant la peau, les intestins, la rétine, l'utérus ou les poumons. 10 Le procédé peut être mis en oeuvre sur un échantillon biologique in vivo. Dans ce cas, le procédé peut être désigné comme un procédé de biopsie virtuelle puisqu'il permet d'obtenir des informations sur une cible dans son environnement, sans avoir à l'en extraire et en évitant les inconvénients connus de la biopsie. 15 En fonction de l'application, l'émission de rayonnement lumineux est réalisée : soit à la surface de l'organisme, auquel cas le rayonnement laser peut être transporté entre la cavité laser et la cible, en émission et en réception, par un système de type sonde, notamment un système de 20 fibre optique, - soit à l'intérieur de l'organisme, auquel cas le rayonnement laser peut être transporté entre la cavité laser et la cible, en émission et en réception, par un système de type sonde qui peut être une fibre optique. Avantageusement, le système de fibre optique peut être compris dans 25 un endoscope médical. La cible peut également être un prélèvement. Le prélèvement peut être un tissu, un agrégat cellulaire, ou des cellules (biopsies) ou encore des prélèvement de liquide biologiques. Dans le cas d'un prélèvement, le rayonnement laser peut être transporté entre la cavité laser et la cible, lors de 30 l'émission et de la réinjection, par un système optique de type microscope . Avantageusement, le rayonnement laser est émis par un laser de classe B. Ce rayonnement laser est préferentiellement émis dans une gamme de longueurs d'ondes adaptée à l'imagerie médicale, à savoir le proche infrarouge (800nm - 1400nm) Les types d'images obtenus peuvent être des images de coupe tissulaire, images de cellules qui peuvent être obtenues par des images d'amplitudes, de phases ou de contraste interférentiel, différentiel de l'onde rétro diffusée par la cible biologique. L'invention permet d'obtenir des informations supplémentaires d'imagerie au niveau celluaire de type 3D ou pseudo-3D, sans nécessiter la mise en oeuvre de procédés lourds et coûteux comme l'IRM ou le scanner. Par pseudo-3D on entend selon l'invention des images qui sans êtres en 3D, apportent des informations sur la 3ème dimension. L'invention permet aussi d'obtenir des images sans ajout d'agents de contraste, ou encore d'améliorer les informations obtenues en présence d'agents de contraste. L'invention concerne également un dispositif d'imagerie pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, le dispositif comprenant - un laser émettant un faisceau à une première fréquence optique, un moyen interagissant avec le faisceau pour fournir un rayonnement à fréquence optique modifiée, le décalage entre la première fréquence et la fréquence modifiée étant voisin de la fréquence de relaxation du laser, -un moyen pour irradier une cible de matière biologique à étudier par le rayonnement à la fréquence modifiée, un moyen pour injecter dans le laser de la lumière renvoyée par la cible de matière biologique, et un moyen pour détecter la perturbation apportée à l'émission laser par la lumière réinjectée, un moyen permettant le transport du rayonnement laser entre la cavité laser et la cible, en émission et en réception. Le moyen de transport du dispositif peut être choisi parmi les systèmes de fibres optiques et les microscopes. Dans un mode de réalisation, le moyen de transport est un endoscope médical. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative35 PRESENTATION DE LA FIGURE La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. DESCRIPTION DE L'INVENTION Le dispositif et le procédé d'imagerie selon la présente invention permettent d'examiner, facilement, une cible de matière biologique, par exemple une cible tissulaire, et notamment les tissus épithéliaux. Notamment, le dispositif et le procédé selon l'invention permettent 10 d'examiner les tissus épithéliaux à l'échelle cellulaire sur une profondeur de l'ordre du millimètre. Diverses applications du procédé et du dispositif selon l'invention sont décrites ci-dessous : • Le dépistage et le suivi thérapeutique du cancer ou d'autres pathologies en 15 effectuant une biopsie virtuelle ou encore optique . Aujourd'hui, l'imagerie du cancer utilise les techniques radiographiques (Scanner), magnétiques(IRM), nucléaires (TEP, Tomographie par Emission de Positrons), optique (endoscope) ou acoustique (échographie)et depuis peu des techniques optiques qui permettent de visualiser des détails 20 intracellulaires impliqués dans certains processus de la cancérogenèse. Deuxième cause de mortalité dans le monde, les cancers et plus précisément ceux du : poumon, colon, oesophage, rectum, vessie, utérus, peau, ORL, larynx, sang... sont concernés par l'invention En gynécologie , l'endométriose (affection de la muqueuse utérine) pourrait également être 25 détectée au moyen de la présente invention. • L'ophtalmoscopie pour l'examen de la rétine et notamment la détection de cancer et de la dégénérescence maculaire. • Le contrôle chirurgical ; en pré opératoire et en per opératoire, par exemple lors d'une résection tumorale, ou pour une ablation d'organe ; en 30 post opératoire pour le contrôle de greffe. • L'étude de la micro circulation, et des anomalies morphologiques des globules rouges. • La neurologie pour la détection des cellules neurologiques dégénérescentes. • L'usage en laboratoires de recherche : Imagerie du petit animal, analyse biologique microscopique et étude in vitro du métabolisme ou du comportement cellulaire à l'aide de marqueurs ou analyse de la biodistribution. • Recherche pharmaceutique, pour le développement de médicaments. • Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent être employés également en combinaison avec d'autres procédés d'imagerie existants. On peut ainsi réaliser une biopsie viruelle au cours d'un scanner ou d'une IRM ou en radiologie interventionnelle. Avantageusement mais non limitativement, le dispositif et le procédé selon l'invention sont adaptés à la détection de cancers qui se forment dans les tissus épithéliaux (comme la peau, l'intestin, la rétine, l'utérus, les poumons, etc.). Il faut noter que 90% des cancers sont issus des tissus épithéliaux (les carcinomes), qui forment une barrière importante entre le corps et l'environnement et sont souvent exposés aux produits nocifs, voir cancérigènes. Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent notamment l'obtention d'informations en vue de l'établissement d'un diagnostique par 20 l'utilisateur, et le dépistage précoce des tumeurs cancéreuses. Le dispositif et le procédé d'imagerie selon l'invention sont basés sur l'utilisation d'une méthode d'imagerie laser par réinjection optique. La méthode d'imagerie laser par réinjection optique, dénommée LOFI permet de faire de l'imagerie de rétrodiffusion cohérente. 25 La méthode d'imagerie LOFI est basé sur un couplage entre la forte sensibilité de certains lasers (micro laser, diode laser,...), à savoir les laser de classe B, au phénomène de réinjection optique et la haute précision des mesures interférométriques de type hétérodyne. On entend, dans le cadre de la présente invention, par laser de classe 30 B , un laser pour lequel la durée de vie de l'inversion de population du milieu amplificateur est plus grande que la durée de vie de la cavité laser, peut être un laser à semiconducteur ou un laser à solide. Le principe réside dans l'utilisation du laser à la fois comme émetteur de rayonnement et comme récepteur de rayonnement, et dans le décalage de la fréquence optique du rayonnement lumineux émis par le laser, ce décalage étant égal à (ou de l'ordre de grandeur) la fréquence de relaxation du laser. En effet, un laser de classe B présente la particularité que lorsqu'on y réinjecte de la lumière à une fréquence décalée d'une valeur correspondant sensiblement à une fréquence propre ou fréquence de relaxation du laser, ce laser produit un faisceau laser modulé, l'amplitude de la modulation correspondant à un facteur de l'ordre de 103 à 1010 , voir au-delà, par rapport à une détection hétérodyne classique. Le procédé et le dispositif d'imagerie basés sur l'utilisation de la 10 méthode d'imagerie LOFI présentent les avantages suivants : - simplicité et facilité de mise en oeuvre puisque aucun alignement entre l'émetteur et le récepteur de rayonnement n'est nécessaire, émetteur et récepteur de rayonnement étant confondus, amplification importante du signal (jusqu'à un million de fois, voire plus) 15 qui permet d'obtenir des images en conditions difficiles, par exemple dans des milieux épais et diffusant comme des tissus biologiques, avec une source de faible puissance et sans agent de contraste. Le procédé d'imagerie d'une cible de matière biologique comprend l'émission, grâce au laser, d'un rayonnement lumineux à une première 20 fréquence optique vers la cible pour éclairer celle-ci. Le rayonnement laser émis est décalé en fréquence à une deuxième fréquence optique. Le décalage en fréquence entre les première et deuxième fréquences est égal à une fréquence de relaxation du laser,. Le rayonnement émis en direction de la cible, et décalé en fréquence, rencontre ensuite la 25 cible. Une partie de ce rayonnement décalé en fréquence est réfléchi par la cible. La partie du rayonnement rétrodiffusé par la cible est réinjectée dans la cavité du laser. La perturbation apportée au rayonnement laser émis par la partie de 30 rayonnement laser reçu réinjecté est alors détectée, ce qui permet d'obtenir des informations concernant la cible. Ces informations comprennent une information d'amplitude et une information de phase du champ rétro-diffusé. L'information d'amplitude est directement reliée à la quantité de lumière 35 réinjectée dans le laser, donc à la réflectivité de la cible. L'information de phase renseigne sur la position relative de la cible par rapport au laser et permet d'obtenir l'image du relief, de la déformation ou de la vibration d'une cible non coopérative ou non réfléchissante. Ces informations peuvent être traitées pour obtenir une (ou des) 5 image(s). On entend, dans le cadre de la présente invention, par image , une image en deux ou trois dimensions, ou tout signal représentatif des caractéristiques de la cible. La cible peut être une cible de matière biologique in vivo ou une cible de 10 matière biologique préalablement prélevée. Dans le cas où la cible est une cible de matière biologique in vivo, l'émission de rayonnement laser peut être effectuée à la surface d'un organisme, comme la peau par exemple dans le cas où la cible est un tissu épithélial. L'émission de rayonnement peut également être effectuée à 15 l'intérieur de l'organisme. Le dispositif d'imagerie selon l'invention permet la mise en oeuvre du procédé d'imagerie décrit ci-dessus. Ce dispositif est transportable. Le dispositif pour mettre en oeuvre le procédé d'imagerie selon l'invention comprend également des moyens pour transporter le rayonnement 20 laser entre la cavité laser et la cible. Le dispositif peut comprendre des moyens pour balayer le faisceau laser. Ces moyens comprennent par exemple un scanner à miroirs galvanométriques. Ceci permet de déplacer le faisceau laser plutôt que de déplacer la cible 25 avec des transmissions piézoélectriques, et ainsi de couvrir une surface cible plus importante avec une plus grande rapidité d'acquisition. La réduction des vibrations qui en résulte permet en outre d'obtenir des images de phase de plus grande qualité et apporte des informations complémentaires sur la cible à imager, en particulier pour les images les plus 30 faiblement contrastées. Dans un mode de réalisation, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir l'information de phase indirectement Cette technique permet, par l'interférence entre les rayonnements réfléchis issus de deux points voisins de la cible, de transformer leur différence de phase en une modulation de l'amplitude du signal. Cette technique permet de s'affranchir des problèmes de vibration et de dérive thermique. Le dispositif basé sur l'utilisation de la méthode d'imagerie LOFI permet de réaliser une imagerie in vivo, de niveau cellulaire sur des tissus périphériques ou externes comme la peau, la rétine, la muqueuse ou la cavité buccale, ainsi que les tissus d'organes creux comme les poumons, le colon, la vessie ou l'utérus. Ce dispositif présente les avantages suivants : - il est peu invasif, - il ne nécessite pas nécessairement l'injection de produit de contraste pour l'obtention des informations relatives à la cible à imager, - il est sans risques pour le patient. Les applications de ce dispositif (et du procédé associé) sont notamment, d'une part les biopsies, et d'autre part la détection de tumeurs 15 cancéreuses. En ce qui concerne les biopsies, le dispositif (et le procédé) selon l'invention permet la réalisation de biopsies in situ et in vivo, contrairement aux dispositifs de l'art antérieur qui permettent uniquement de réaliser des biopsies pour des analyses histologiques et histo-pathologiques ex vivo. 20 Ainsi, le dispositif (et le procédé) selon l'invention présente l'avantage de permettre à l'utilisateur de donner un diagnostic immédiat et de décider rapidement de mettre en oeuvre le traitement thérapeutique le plus adapté à la pathologie du patient. En ce qui concerne la détection des tumeurs, le dispositif (et le procédé) 25 selon l'invention permet la détection de tumeurs de l'ordre du micromètre, ce qui permet un dépistage et un traitement le plus précocement possible, et ainsi d'augmenter les chances de survie. Le dispositif (et le procédé) selon l'invention peut également s'appliquer au contrôle d'organe avant résection ou greffe, et également dans le suivi 30 thérapeutique et du métabolisme de la cellule. Ce dispositif peut également s'appliquer dans la neurologie, en particulier pour l'analyse de cellules nerveuses. Le dispositif et le procédé selon l'invention sont particulièrement adaptés à l'imagerie de cible en conditions difficiles (faible réflectivité, milieu 10 2902880 diffusant, etc.) et permettent d'obtenir une grande variété d'images grâce à la richesse et la précision de l'information obtenue. Par ailleurs, un autre avantage du dispositif et du procédé selon l'invention est qu'ils sont compatibles avec un dispositif basé sur la technologie 5 IRM car ils ne perturbent pas le champ magnétique, et donc l'image IRM. Le dispositif et le procédé selon l'invention sont complémentaires des dispositifs d'imagerie médicale basés sur les techniques conventionnelles (échographie, scanner, tomographie, IRM). Ils peuvent être combinés avec les techniques d'imagerie conventionnelle pour obtenir des informations 10 complémentaires sur les cibles imagées, et en particulier les tumeurs suspectes. REVENDICATIONS 1. Procédé d'imagerie d'une cible comprenant une matière biologique au moyen d'un rayonnement laser, l'émission, la réception du rayonnement et le traitement du rayonnement reçu étant réalisé par la technologie dite LOFI . 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière biologique est choisie parmi les cellules, les agrégats cellulaires, les tissus ou les organes. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le procédé est mis en oeuvre sur une cible in vivo. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'émission du rayonnement laser est réalisée à la surface d'un organisme comprenant ladite cible. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'émission du rayonnement laser est réalisée à l'intérieur de l'organisme comprenant ladite cible. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le rayonnement laser est transporté entre la cavité laser et la cible, en émission et en réception, par un système de fibres optiques. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système de fibres optiques est compris dans un endoscope médical. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la cible comprend une matière biologique préalablement prélevée. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le rayonnement laser est transporté entre la cavité laser et la cible, en émission et en réception, par un système de type microscope. 10.Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le rayonnement laser est émis dans une longueur d'onde comprise entre 800 et 1400nm. 11.Dispositif d'imagerie pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il comprend un laser émettant un faisceau à une première fréquence optique, - un moyen interagissant avec le faisceau pour fournir un rayonnement à fréquence optique modifiée, le décalage entre la première fréquence etla fréquence modifiée étant voisin de la fréquence de relaxation du laser, un moyen pour irradier une cible de matière biologique à étudier par le rayonnement à la fréquence modifiée, - un moyen pour injecter dans le laser de la lumière renvoyée par la cible de matière biologique, et un moyen pour détecter la perturbation apportée à l'émission laser par la lumière réinjectée, un moyen permettant le transport du rayonnement laser entre la cavité laser et la cible, en émission et en réception. 12.Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen de transport est choisi parmi les systèmes de fibres optiques, de sondes et les microscopes. 13.Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que le moyen de transport est un endoscope médical.