Brevet FR2954688A1 — publié le 20110701

Fantôme d'organe autofluorescent et procédé de réalisation associé Le domaine de l'invention est celui des calibres encore appelés « fantômes » permettant de reproduire certaines caractéristiques d'un tissu biologique et en particulier ses propriétés optiques. Ils sont utilisés, par exemple, pour la calibration et l'évaluation des performances des instruments d'imagerie médicale et des algorithmes de traitement des images produites par ces instruments. Le fantôme est un volume qui peut être liquide ou solide ou semi-solide ou encore gélatineux. Il est composé de différents ingrédients. L'utilisation de fantômes optiques a l'avantage d'éviter plusieurs manipulations sur les animaux de laboratoires comme les souris ou les rats. On épargne ainsi les animaux eux-mêmes. On économise aussi le temps passé à préparer ce genre de manipulations qui nécessitent une administration importante, des autorisations à obtenir et l'utilisation de système adaptés aux animaux pour les anesthésier et les maintenir endormis pendant les opérations. Ces fantômes sont utilisés, en particulier, pour simuler les propriétés optiques de tissus dans les gammes de longueurs d'onde situés dans le rouge et le proche infrarouge. En imagerie médicale, cette gamme de longueur d'onde est intéressante dans la mesure où l'absorption des tissus vivants est plus faible dans cette bande spectrale. Plus précisément, on définit une fenêtre spectrale d'intérêt située entre les longueurs d'onde de 600 nanomètres et de 900 nanomètres. Classiquement, on travaille dans cette bande spectrale de la façon suivante illustrée sur les figures 1 et 2. Un marqueur spécifique M est injecté à un patient ou à un animal S lorsqu'il s'agit d'expérimentations (une souris sur la figure 1). Ce marqueur M se fixe spécifiquement sur la tumeur T cancéreuse. La zone d'intérêt est illuminée avec un laser ayant une longueur d'excitation dans le rouge et un signal de fluorescence est récupéré. Le signal d'excitation laser L est représenté par une flèche descendante sur la figure 1 et le signal de fluorescence est représenté par des flèches montantes. Ce signal est un mélange de fluorescence spécifique FS (flèches montantes grises sur la figure 1) provenant des marqueurs injectés mais aussi d'autofluorescence FA (flèches montantes blanches sur la figure 1), c'est-à-dire de fluorescence naturelle des tissus biologiques. Dans cette gamme de longueur d'onde, l'autofluorescence des tissus, par unité de volume, est relativement faible, mais elle est suffisamment gênante pour noyer le signal de fluorescence, notamment lorsque ce dernier est faible. C'est notamment le cas lorsqu'un fluorophore se trouve en profondeur dans un tissu. Les figures 2A, 2B et 2C représentent, en fonction de la longueur d'onde, l'intensité I du signal de fluorescence spécifique FS, le signal d'autofluorescence FA et le signal de fluorescence FT mesuré qui est composé des deux signaux précédents. Comme on le voit sur la figure 2C, le signal de fluorescence FT mesuré peut être gravement perturbé par le signal d'autofluorescence FA. Il est donc utile, si l'on souhaite qu'un « fantôme » soit représentatif d'un tissu biologique dans une gamme de longueurs d'onde, et notamment dans la fenêtre d'intérêt précédemment définie, qu'il possède également des caractéristiques de fluorescence représentatives de l'autofluorescence du tissu. Or, l'origine de l'autofluorescence des tissus n'est pas encore totalement connue et tout particulièrement dans cette gamme des longueurs d'onde rouges ou infrarouges. Les tissus biologiques ont une structure complexe et comportent une multitude de composants. On citera, entre autres, les protéines de collagène et d'élastine, différents acides aminés comme le tryptophane, des agents comme le « NADH », abréviation de « Nicotinamide Adénine Dinucléotide », des lipo-pigments, des composants comme la pyridoxine, des enzymes comme la flavine et d'autres composants comme les porphyrines. Tous ces composants dont la structure moléculaire peut être très complexe sont susceptibles de fluorescer dans le spectre visible. De plus, chez un même être vivant, des différences spectrales peuvent être observées. En effet, il existe des différences de structure entre les localisations anatomiques qui peuvent se traduire par des variations de la forme et de l'intensité des spectres d'autofluorescence. Ces différences sont variables d'un individu à l'autre. Par conséquent, réaliser un « fantôme » représentatif d'un organe ou de tissus biologiques possédant des caractéristiques d'autofluorescence identiques ou voisines de celles des tissus organiques n'est pas un problème simple. Des études expérimentales réalisées par la demanderesse ont permis de montrer d'une part que les propriétés de fluorescence de composés appartenant à la famille des porphyrines sont très voisines de l'autofluorescence des tissus biologiques observée dans la fenêtre spectrale d'intérêt et que, d'autre part, des calibres ou «fantômes» incorporant de la porphyrine ont également des propriétés de fluorescence très voisines de celles de l'autofluorescence des tissus biologiques. Par propriétés, on entend ici le spectre en longueur d'onde de la fluorescence émise suite à une excitation d'une longueur d'onde rouge, une telle longueur d'onde étant typiquement comprise entre 620 et 800 nm. Plus précisément, l'invention a pour objet un calibre pour instrumentation d'imagerie médicale aussi appelé « fantôme » comprenant une matrice, caractérisé en ce que ladite matrice comporte au moins un additif permettant de simuler les propriétés d'autofluorescence d'un tissu vivant dans la bande spectrale couvrant le rouge et le proche infrarouge, le dit additif appartenant à la famille des porphyrines. Avantageusement, l'additif est la protoporphyrine IX et la proportion d'additif dans la matrice est comprise entre 1 et 1000 millionièmes, de préférence entre 1 et 100, et de préférence encore entre 30 et 60 millionièmes. Avantageusement, la matrice comporte un second additif, appelé agent absorbant, permettant de simuler l'absorption optique, ce second additif pouvant être de l'encre de Chine ou de l'hémoglobine. Avantageusement, la matrice comporte un troisième additif, appelé agent diffusant, permettant de simuler la diffusion optique, tel que de l'intralipide ou de la peinture blanche ou encore des particules d'oxyde, tels que le SiO2. Avantageusement, la matrice comporte un quatrième additif, permettant d'accroître la viscosité, appelé agent viscosant, tel un hydrogel, du gel d'agarose, du PVA (PolyVinyl Alcohol) ou de la gélatine, par exemple de la gélatine alimentaire. Selon un mode de réalisation, le calibre renferme un simulateur de tumeur. Selon un mode préféré, la matrice comprend un liquide, tel de 35 l'eau, auquel les additifs indiqués ci-dessus peuvent être ajoutés. Mais d'autres solutions aqueuses, par exemple des tampons salins, peuvent être comprises dans la matrice. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un calibre ou « fantôme » pour instrumentation d'imagerie médicale, le calibre comprenant au moins une matrice réalisée selon au moins les étapes suivantes : - Chauffage d'un volume de liquide, par exemple de l'eau ou un tampon salin jusqu'à une température comprise entre 30 et 40 degrés ; - Ajout d'un agent viscosant, tel des feuilles de gélatine ramollies dans ledit volume d'eau et mélange jusqu'à ce que les feuilles aient totalement fondues, la quantité de gélatine étant comprise entre 4 à 8 % du volume d'eau ; - Refroidissement du mélange eau-agent viscosant jusqu'à la température ambiante ; - Ajout d'une quantité d'un agent diffusant, par exemple de l'intralipide, de la peinture blanche ou une solution contenant des billes d'oxyde, comprise entre 4 à 8 %, de préférence 5 à 6 % du volume d'eau lorsqu'il s'agit d'intralipide 20% ; - Ajout d'une quantité d'un agent absorbant, par exemple de l'encre de 20 chine ou de l'hémoglobine, comprise entre 4 à 8 % du volume d'eau lorsqu'il s'agit d'encre de Chine. - Ajout d'un additif fluorescent appartenant à la famille des porphyrines dans une proportion comprise entre 1 à 1000 millionièmes du volume d'eau et préférentiellement 30 à 60 millionièmes ; 25 - Refroidissement du mélange liquide - agent viscosant - agent diffusant - agent absorbant - additif à une température d'environ 4°C jusqu'à durcissement du mélange ; - Démoulage du mélange. Préférentiellement, l'additif fluorescent utilisé est la 30 protoporphyrine IX. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente de façon imagée le phénomène d'autofluorescence ; Les figures 2A, 2B et 2C représentent schématiquement la répartition spectrale de la fluorescence d'un tissu biologique sous éclairement par une longueur d'onde située dans le rouge. Les figures 2A, 2B et 2C représentent respectivement les spectres de fluorescence spécifique, d'autofluorescence ainsi que le spectre mesuré, dans lequel se combinent les spectres d'autofluorescence et de fluorescence spécifique. La figure 3 représente la molécule de protoporphyrine IX ; La figure 4 représente un fantôme selon l'invention sous éclairement dans la fenêtre spectrale d'intérêt ; La figure 5 représente le spectre d'autofluorescence d'un tissu vivant sous éclairement rouge et le spectre d'un fantôme selon l'invention, soumis au même éclairement. La demanderesse a fait l'hypothèse qu'on pouvait simuler l'autofluorescence des tissus sains en utilisant un fantôme comprenant des protoporphyrines. Elle a également montré qu'un type particulier de porphyrines, qui rentre notamment dans la composition de l'hémoglobine, est particulièrement prometteur pour la simulation des phénomènes d'autofluorescence, il s'agit de la protoporphyrine IX. Enfin, la demanderesse a démontré expérimentalement que la réalisation de fantômes comportant des porphyrines et notamment de la protoporphyrine IX, notée Pp IX, avait bien, sous éclairement rouge, un spectre de rayonnement de fluorescence comparable au spectre d'autofluorescence de tissus vivants, en l'occurrence ceux de souris de laboratoire. Ces travaux n'allaient pas de soi. En effet, certains auteurs estiment que la concentration en porphyrine dans les tissus animaux est trop faible pour expliquer l'autofluorescence. Certains autres estiment que d'autres explications sont possibles pour expliquer la fluorescence. On citera, en particulier, les nécroses ou les infections bactériennes susceptibles de comporter des composants pouvant posséder des propriétés d'auto-fluorescence. On se reportera aux articles de Juzenas, de Kônig et de Fournier pour toutes informations complémentaires sur ces différents points. Les références de ces articles sont : - Petras Juzenas, Vladimir lani, Saulius Bagdonas, Ricardas Rodomskis & Johan Moan « Fluorescence spectroscopy of normal mouse skin exposed to 5-aminolaevulinic acid and red light », Journal of Photochemistery and photobiology B : Biology, vol. 61, N ° 1-2, pages 78-86, 2001 ; - Karsten Kônig, Herbert Schneckenburger, Joerg Hemmer, Bruce J. Tromberg & Rudolf W. Steiner « in-vivo fluorescence detection and imaging of porphyrin-producing bacteria in the human skin and in the oral cavity for diagnosis of acne vulgaris, caries, ans squamous cell carcinoma » Advances in Laser and Light Spectroscopy to diagnose Cancer and Other Diseases, vol. 2135, N ° 1, pages 129- 138, 1994 - Laure S. Fournier, Vincenzo Lucidi, kirill Berejnoi, Theodore miller, Stavros G. Demos & Robert C. Brasch « in-vivo NIR autofluorescence imaging of rat mammary tumors » Opt. Express, vol. 14, N) 15, pages 6713-6723, 2006. A titre d'information, la molécule de protoporphyrine IX est représentée en figure 3. A titre d'exemple non limitatif, un fantôme P selon l'invention comprend une matrice composée essentiellement d'eau, d'intralipide qui reproduit classiquement la diffusion des tissus, d'encre pour simuler l'absorption des tissus et de gélatine alimentaire afin d'obtenir une consistance semi-solide. Comme il a été dit, on peut utiliser d'autres agents diffusants comme la peinture ou des particules d'oxyde et/ou d'autres agents viscosants comme le gel d'agarose ou le PVA (PolyVinyl Alcohol). Bien entendu, il existe aussi des matrices de fantômes beaucoup plus élaborées utilisant du sang pour simuler l'absorption de l'hémoglobine. On se reportera, sur ce point, à l'article intitulé « Tissue-Like Phantoms for Near-Infrared Fluorescence Imaging System Assessment and the Training of Surgeons », Alec M. De Grand et John V. Frangioni, 2006. A cette matrice, la demanderesse propose d'ajouter de la protoporphyrine IX notée encore PpIX pour simuler les propriétés spectrales de fluorescence. Pour réaliser un fantôme selon l'invention, simulant le spectre et l'intensité du signal d'autofluorescence d'une souris, les quantités approximatives requises sont sensiblement les suivantes, pour un volume d'eau de 100 millilitre: - Protoporphyrine PpIX 3 à 6 mg - Agent diffusant : Intralipide 20% 5 à 6 ml - Agent absorbant : Encre en quantité variable selon l'absorption souhaitée, environ 1 à 2 pl pour obtenir un fantôme dont le coefficient d'absorption est de 0.04 cm-1. - Agent viscosant : Feuilles de gélatine alimentaire, en quantité de 2 à 4 feuilles, soit environ 3.8 à 7.6 g de gélatine (moins de feuilles aboutit à un fantôme plus « friable », qui « tient » moins longtemps). La gélatine utilisée est d'origine porcine mais d'autres types de gélatine peuvent être utilisés. Le procédé de réalisation est le suivant : - Chauffage du volume d'eau jusqu'à une température comprise entre 30 et 40 degrés ; - Ajout des feuilles de gélatine ramollies dans ledit volume d'eau et mélange jusqu'à ce que les feuilles aient totalement fondues, la quantité de gélatine est comprise entre 4 à 8 % du volume d'eau ; - Refroidissement du mélange eau-gélatine jusqu'à température ambiante ; - Ajout de la quantité d'intralipide 20% (émulsion lipidique à base d'huile de soja) comprise entre 4 à 8%, de préférence 5 à 6 % du volume d'eau ; - Ajout de la Protoporphyrine PpIX (Fournisseur : Société Sigma Alrdich) ; - Refroidissement du mélange eau-gélatine-intralipide-porphyrine à une température d'environ 4°C jusqu'à durcissement du mélange ; - Démoulage du mélange.35 L'ajout de Protoporphyrine PpIX permet d'obtenir, entre 600 nm et 900 nm, un spectre de fluorescence proche du spectre d'autofluorescence des tissus, lorsque l'excitation est réalisée selon une longueur d'onde rouge, typiquement comprise entre 620 et 800 nm. Par spectre, on entend une répartition des intensités relatives du signal détecté. La quantité indiquée dans l'exemple ci-dessus permet d'obtenir un fantôme présentant, sous un rayonnement d'excitation donné, un signal de fluorescence dont l'intensité correspond à l'intensité du signal d'autofluorescence produit par une souris soumise au même rayonnement d'excitation. Il va de soit que, lorsque un tissu doit être simulé, par exemple un sein, une prostate, un cerveau, un testicule, la concentration de Protoporphyrine PpIX doit être ajustée afin que, lors de l'exposition à un rayonnement d'excitation donné, l'intensité du signal de fluorescence soit proche de l'intensité du signal d'autofluorescence dudit tissu soumis au même rayonnement d'excitation. Il en est de même pour les concentrations de l'agent absorbant (par exemple de l'encre de chine) ou de l'agent diffusant (par exemple de l'intralipide), dont les concentrations sont ajustées en fonction des valeurs respectives du coefficient d'absorption et du coefficient de diffusion du tissu simulé. Selon les tissus observés, le coefficient d'absorption et le coefficient d'atténuation réduit, respectivement notés I-la et pis, varient respectivement entre 0.01 et 1 cm-1 et entre 5 et 50 cm-1, dans la fenêtre spectrale d'intérêt. De même, la concentration d'agent viscosant est adaptée à la viscosité recherchée du fantôme. Ce fantôme reste assez fragile mais est utilisable pour des séries de manipulations pendant quelques jours, ce qui est suffisant pour un grand nombre d'applications. Il faut le conserver au frais pour éviter de dégrader l'intralipide et la gélatine. Une élaboration plus complexe, par des techniques connues de l'homme du métier, permet d'obtenir des fantômes plus solides et ayant une plus grande longévité. Un tel fantôme P est représenté en figure 4. Sur cette figure, il a une forme cubique. On peut lui donner d'autres formes plus complexes, voire réaliser des assemblage comprenant plusieurs fantômes ayant des compositions différentes de façon à simuler le mieux possible un organe ou un ensemble d'organes et de tissus. On peut également lui ajouter des simulateurs de tumeurs, par exemple sous la forme d'inclusions de fluorophores dans un capillaire. Lorsque l'on éclaire ce fantôme par une lumière rouge, par exemple à 690 nm, représentée par une flèche descendante sur la figure 4, ce fantôme émet dans le rouge et le proche infrarouge. L'intensité I du spectre de ce rayonnement FA représenté en trait continu sur la figure 5, dans la gamme de longueurs d'onde comprises entre 700 et 1000 nanomètres est très voisine de celle du spectre émis par un animal (en l'occurrence une souris), spectre représenté en traits pointillés sur la figure 5. Sur cette figure, les intensités sont normalisées : les spectres correspondent donc à la distribution des intensités relatives mesurées. Ainsi, au prix d'un procédé simple, il est possible de réaliser un fantôme ayant dans le rouge et le proche infrarouge les propriétés d'autofluorescence recherchées. Un tel fantôme peut être utilisé lors d'essais ou de la calibration de dispositifs optiques de mesures de la fluorescence de tissus. REVENDICATIONS1. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale aussi appelé « fantôme » (P) comprenant une matrice, caractérisé en ce que ladite matrice comporte au moins un additif permettant de simuler les propriétés d'autofluorescence d'un organe ou d'un tissu vivant dans la bande spectrale couvrant le rouge et le proche infrarouge, le dit additif appartenant à la famille des porphyrines. 2. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif est la protoporphyrine IX. 3. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la proportion d'additif dans la matrice est comprise entre 1 à 1000 millionièmes. 15 4. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la proportion d'additif dans la matrice est comprise entre 1 à 100 millionièmes. 5. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une 20 des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la proportion d'additif dans la matrice est comprise entre 30 et 60 millionièmes. 6. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice est une 25 solution aqueuse. 7. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice comporte un agent absorbant permettant de simuler l'absorption optique. 30 8. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'agent absorbant est de l'encre de Chine ou de l'hémoglobine. 9. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice comporte un agent diffusant permettant de simuler la diffusion optique. 10. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon la 10 revendication 9, caractérisé en ce que l'agent diffusant est de l'intralipide ou de la peinture blanche ou des particules d'oxyde. 11. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice comporte 15 un agent viscosant, c'est-à-dire un agent permettant d'accroître la viscosité du calibre. 12. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'agent viscosant est un hydrogel ou 20 du gel d'agarose ou du PVA (PolyVinyl Alcohol) ou de la gélatine. 13. Calibre pour instrumentation d'imagerie médicale selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calibre renferme un simulateur de tumeur. 25 14. Procédé de réalisation d'un calibre ou « fantôme » pour instrumentation d'imagerie médicale, le calibre comprenant au moins une matrice réalisée selon au moins les étapes suivantes : - Chauffage d'un volume de liquide qui est de l'eau ou du tampon salin 30 jusqu'à une température comprise entre 30 et 40 degrés ; - Ajout d'un agent viscosant dans ledit volume de liquide ; - Refroidissement du mélange liquide - agent viscosant jusqu'à température ambiante ; - Ajout d'un agent diffusant dans le mélange liquide - agent viscosant ;- Ajout d'un agent absorbant dans le mélange liquide - agent viscosant - agent diffusant ; - Ajout d'un additif appartenant à la famille des porphyrines dans une proportion comprise entre 1 à 1000 millionièmes du volume de liquide initial dans le mélange liquide - agent viscosant - agent diffusant - agent absorbant ; - Refroidissement du mélange liquide - agent viscosant - agent diffusant - agent absorbant - additif à une température d'environ 4°C jusqu'à durcissement du mélange ; - Démoulage du mélange. 15. Procédé de réalisation d'un calibre ou « fantôme » selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'additif est la protoporphyrine IX, la quantité de protoporphyrine IX étant comprise entre 1 à 1000 millionièmes du volume de liquide. 16. Procédé de réalisation d'un calibre ou « fantôme » selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'agent viscosant est constitué de feuilles de gélatine, la quantité de gélatine étant comprise entre 4% et 8% du volume de liquide. 17. Procédé de réalisation d'un calibre ou « fantôme » selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'agent diffusant est de l'intralipide ou de la peinture blanche ou une solution contenant des billes d'oxyde, la quantité d'agent diffusant étant comprise entre 4 à 8 % du volume de liquide. 18. Procédé de réalisation d'un calibre ou « fantôme » selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'agent absorbant est de l'encre de chine ou de l'hémoglobine, la quantité d'agent absorbant étant comprise entre 4 à 8 % du volume de liquide.