Dans le domaine de l’imagerie médicale, il existe de nombreuses techniques différentes pour extraire des informations des tissus biologiques en fonction de leurs différentes interactions avec la lumière visible. Au cours de la dernière décennie, il y a eu un essor massif de la recherche axée sur l’imagerie de phase quantitative, qui consiste à capturer et à analyser la façon dont la phase d’une lumière change lorsqu’elle traverse un échantillon.
Outre les informations de phase, la manière dont les cellules ou les tissus interagissent avec la lumière polarisée – et comment ces interactions changent en fonction de la direction de polarisation – peut fournir des informations utiles pour diagnostiquer certaines pathologies ou étudier des processus biologiques.
Bien qu’il existe certaines méthodes permettant d’extraire à la fois des informations de phase et d’anisotropie pour créer des reconstructions tomographiques 3D, ces techniques sont généralement coûteuses et complexes à mettre en œuvre, ce qui a limité leur utilisation dans les applications cliniques.
Dans une étude récente, une équipe de recherche internationale, comprenant le professeur Roarke Horstmeyer et le Dr Shiqi Xu de l’Université Duke, a entrepris de s’attaquer à ces limitations.
Comme indiqué dans Photonique avancée, les chercheurs ont développé une nouvelle technique d’imagerie appelée ptychographie de Fourier tomographique tensorielle (ou « T2oFu »). Cette méthode peut être utilisée pour obtenir simultanément des informations quantitatives sensibles à la phase et à la polarisation à partir d’échantillons biologiques.
Ptychographie tomographique tensorielle de Fourier avec applications à l’imagerie des tissus musculaires. Crédit : Xu et al., doi 10.1117/1.AP.6.2.026004.
L’une des caractéristiques clés de T2oFu est sa configuration optique peu coûteuse. Le système comprend une matrice de LED adressables individuellement comme source d’éclairage. Pour obtenir des informations dépendantes de la polarisation, le système utilise également un polariseur circulaire entre l’éclairage et l’échantillon, ainsi qu’une caméra sensible à la polarisation.
Pour reconstruire la tomographie de phase quantitative sensible à la polarisation avec cette configuration, l’équipe de recherche a développé le modèle de reconstruction de T2oFu à partir de zéro. Basés sur les théories de la propagation de la lumière, ils ont dérivé un modèle mathématique qui décrit avec précision les mesures expérimentales.
Une fois le dispositif expérimental et le cadre théorique établis, l’équipe a mis sa méthode à l’épreuve à travers une série d’expériences. Premièrement, ils ont reconstruit des images 3D détaillées de fibres musculaires avec des informations sur l’anisotropie et la phase, obtenant ainsi une vision claire des filaments musculaires individuels. Cela a des implications importantes à des fins de diagnostic.
« L’imagerie structurelle à contraste élevé et à haute résolution des signaux intrinsèques dans les fibres musculaires squelettiques est importante pour la détection rapide des changements dans l’organisation myofibrillaire pouvant conduire à des myopathies squelettiques », explique le Dr Horstmeyer. « Actuellement, le tissu musculaire 3D est généralement imagé par des systèmes complexes et coûteux, tels que la microscopie à génération de seconde harmonique (SHG). Notamment, notre système peu coûteux basé sur des LED a montré des résultats similaires à ceux décrits dans la littérature sur l’imagerie SHG. »
Ensuite, les chercheurs ont photographié un échantillon de tissu cardiaque atteint d’amylose cardiaque, une maladie hautement mortelle qui touche plus de 12 000 patients rien qu’aux États-Unis.
« Dans la pratique actuelle, le tissu cardiaque biopsié est d’abord congelé et finement tranché, puis coloré avec un colorant rouge et inspecté au microscope à polarisation croisée », commente le Dr Xu. « Dans nos mesures, la structure de la reconstruction de l’anisotropie était fortement corrélée à l’image à polarisation croisée colorée illustrant les caractéristiques de l’amylose. Ainsi, l’approche proposée pourrait potentiellement être utile pour des inspections rapides sur site à l’avenir. »
Dans l’ensemble, T2oFu semble être une technique puissante et pratique qui pourrait rendre l’imagerie de polarisation et de phase plus facilement accessible. Nous espérons que d’autres améliorations rendront cet outil accessible à davantage de scientifiques et de médecins, ouvrant la voie à de meilleurs diagnostics et à une compréhension plus approfondie de notre corps.
Plus d’information:
Shiqi Xu et al, Ptychographie tomographique tensorielle de Fourier avec applications à l’imagerie des tissus musculaires, Photonique avancée (2024). DOI : 10.1117/1.AP.6.2.026004