Voir le flux sanguin profond avec le son et la lumière laser

Un grand nombre de problèmes de santé, et par conséquent leurs traitements médicaux, dépendent de la manière dont le sang circule dans le corps. Les crises cardiaques sont causées par un flux sanguin restreint vers le muscle cardiaque. De nombreux symptômes du diabète résultent de vaisseaux sanguins endommagés. Les tumeurs, quant à elles, favorisent souvent la croissance de nouveaux vaisseaux qui leur acheminent spécifiquement le sang. Et le flux sanguin est un paramètre physiologique crucial pour mesurer la fonction cérébrale.

Pour cette raison, les professionnels de la santé veulent pouvoir examiner les vaisseaux sanguins et évaluer leur état, mais comme bon nombre de ces vaisseaux sont enfouis assez profondément dans le corps, un tel examen peut être difficile sans chirurgie exploratoire.

De nouvelles recherches menées dans le laboratoire de Lihong Wang, professeur Bren de génie médical et de génie électrique de Caltech, permettent désormais d'imager les vaisseaux sanguins profonds chez l'homme, et même le sang qui les traverse, de manière non invasive.

Dans un article publié dans la revue Génie biomédical naturel, Wang et ses collègues décrivent cette technologie, qu'ils appellent tomographie vectorielle photoacoustique, ou PAVT. Cette technologie est similaire à bien des égards aux autres technologies d'imagerie photoacoustique de Wang, qui utilisent une lumière laser bien absorbée par l'hémoglobine, la molécule transportant l'oxygène présente dans les globules rouges.

L’énergie que les molécules d’hémoglobine absorbent du laser les fait vibrer par ultrasons. Ces vibrations se propagent à travers les tissus jusqu'à atteindre la surface de la peau, où elles sont détectées par des capteurs connectés à un ordinateur. L’ordinateur crée ensuite une image des caractéristiques du tissu, en l’occurrence des vaisseaux sanguins.

Ce n'est pas la première fois que le laboratoire de Wang montre la capacité d'imager les vaisseaux sanguins à l'aide de la technologie photoacoustique, mais la nouvelle méthode peut imager le flux sanguin plus profondément dans le corps humain qu'auparavant et montre pour la première fois non seulement la présence de vaisseaux sanguins et leur état d'oxygénation mais la façon dont le sang circule dans les vaisseaux.

“Avant, nous ne pouvions montrer que la taille des vaisseaux sanguins, les concentrations de sang et les saturations en oxygène”, explique Wang, également titulaire de la chaire de leadership en ingénierie médicale Andrew et Peggy Cherng. “Maintenant, nous pouvons mesurer le flux vectoriel, qui indique à la fois le débit et la direction.

“Notre domaine travaille sur la technologie photoacoustique depuis plus de 20 ans, mais personne n'avait prédit une telle chose. Nous nous sommes surpris car notre domaine ne pensait pas que cela était possible.”

“Quand j'ai vu pour la première fois nos images du flux sanguin, j'ai été absolument étonné”, déclare Yang Zhang, auteur principal et chercheur postdoctoral associé en génie médical. “La partie la plus passionnante de ce travail est que nous avons mis en synergie l'ingénierie et la physiologie pour surmonter un obstacle que l'on pensait auparavant insurmontable dans le domaine.”

L'équipe est capable de voir la direction et le débit car le PAVT a une résolution si fine qu'il peut distinguer les signaux provenant de la distribution des globules rouges au plus profond du corps. Un algorithme intégré au système suit le mouvement de ces distributions et en déduit la vitesse et la direction du flux. C'est un peu comme la façon dont Google détermine l'intensité du trafic sur une autoroute en examinant la vitesse à laquelle les téléphones mobiles se déplacent dans cette zone.

Les chercheurs émettent l’hypothèse que leurs images et vidéos du flux sanguin humain sont facilitées par la distribution hétérogène des globules rouges, qui résulte en partie de la façon dont les vaisseaux sanguins sont structurés dans tout le corps.

Wang compare la situation des veines à ce qui se produit lorsque deux rivières avec des qualités d'eau différentes, l'une claire et l'autre boueuse, par exemple, se rejoignent en un seul ruisseau plus grand. A une telle confluence, il n'est pas rare de voir les cours d'eau rester intacts sur une longue distance même s'ils empruntent le même canal.

Un phénomène similaire est observé lorsque deux veines transportant du sang avec des contenus sanguins différents (oxygénés et non oxygénés) se rejoignent. Même si le sang de ces deux vaisseaux s’est réuni en un seul flux, il restera inchangé pendant un certain temps. Le système PAVT peut distinguer ces patchs non mélangés et suivre leur mouvement.

Et comme les globules rouges absorbent différemment la lumière laser du système PAVT selon qu’ils sont oxygénés ou non, le PAVT peut également déterminer la quantité d’oxygène transportée par le sang dans un vaisseau particulier. “Cela nous permet de quantifier la consommation d'oxygène, qui constitue une mesure importante du métabolisme”, ajoute Wang.

L'article décrivant la recherche, intitulé « Tomographie vectorielle photoacoustique pour l'imagerie hémodynamique profonde », paraît dans le numéro du 30 novembre de Génie biomédical naturel.