Développement de la tomographie par cohérence optique à faible coût de nouvelle génération pour une imagerie rétinienne améliorée au point de soins

Développement de la prochaine génération de systèmes d’OCT à faible coût : Amélioration de l’imagerie rétinienne pour les applications cliniques

Contexte académique

La tomographie par cohérence optique (Optical Coherence Tomography, OCT) est une technologie d’imagerie non invasive et à haute résolution, largement utilisée dans le domaine de l’ophtalmologie, en particulier pour le diagnostic des maladies rétiniennes. Cependant, les systèmes commerciaux actuels d’OCT sont coûteux (entre 40 000 et 150 000 dollars), ce qui limite leur application dans les zones à faibles ressources. Afin d’élargir l’accessibilité de l’OCT, des chercheurs se consacrent au développement de systèmes OCT à faible coût, permettant de fournir une imagerie rétinienne de haute qualité au point de soin (point-of-care). Cet article présente un système OCT de nouvelle génération à faible coût, qui améliore de manière significative la performance d’imagerie grâce à des améliorations au niveau du matériel et des algorithmes de traitement d’image, rendant le système plus concurrentiel pour les applications cliniques.

Source de l’article

Cet article a été coécrit par des chercheurs du département de génie biomédical de l’université de Duke, dont Hillel B. Price, Ge Song, Wan Wang, et d’autres. Il a été publié dans le numéro du 1er février 2025 de la revue Biomedical Optics Express (volume 16, numéro 2). Cette recherche a été financée par les National Institutes of Health (NIH) des États-Unis.

Processus et détails de la recherche

1. Conception du système et améliorations matérielles

L’équipe de recherche a développé trois générations de systèmes OCT à faible coût (Gen 1, Gen 2, Gen 3), où chaque génération a introduit des améliorations significatives au niveau matériel et logiciel. Le système Gen 1 a réduit les coûts grâce à l’impression 3D et à des composants électroniques personnalisés, mais ses performances d’imagerie restaient inférieures à celles des systèmes commerciaux (tels que le Heidelberg Spectralis). Le système Gen 2 a introduit des améliorations matérielles, telles qu’une puissance de sortie stabilisée pour la diode superluminescente (Superluminescent Diode, SLD), une vitesse A-line augmentée (40 kHz) et une conception de spectromètre améliorée. Le système Gen 3 a en outre intégré une technologie de détection équilibrée (« balanced detection »), augmentant significativement la récupération du signal et la réduction du bruit.

  • Système Gen 1 : Utilisation d’une source SLD sans contrôle thermique et d’un boîtier de spectromètre imprimé en 3D, pour un coût de 5037 dollars.
  • Système Gen 2 : Introduction d’une diode SLD thermocontrôlée et d’une caméra plus rapide, pour un coût de 6097 dollars.
  • Système Gen 3 : Ajout d’un deuxième spectromètre et de la détection équilibrée, pour un coût de 9522 dollars.

2. Algorithme de traitement d’image

Pour améliorer la qualité des images, l’équipe de recherche a développé un algorithme d’appariement d’histogramme auto-référencé (« self-referenced histogram matching, HM »). Cet algorithme génère un histogramme de référence par floutage et apparie l’histogramme des images brutes, permettant ainsi d’augmenter le rapport contraste/bruit (Contrast-to-Noise Ratio, CNR) sans sacrifier la résolution. De plus, le système Gen 3 intègre une correction du bruit de fond en fonction de la profondeur, améliorant encore la qualité des images.

3. Études cliniques

L’équipe de recherche a mené des essais cliniques à l’université de Duke pour évaluer les performances d’imagerie des systèmes Gen 2 et Gen 3. Les essais du système Gen 2 comprenaient 12 participants sains, tandis que le système Gen 3 a été testé sur 14 participants sains. En comparant les valeurs de CNR des différents systèmes, l’équipe a constaté que le système Gen 3 surpassait significativement les systèmes Gen 1 et Gen 2 en termes de CNR, et dépassait même dans certains cas les systèmes commerciaux.

  • Système Gen 1 : CNR de 1,69±0,27 (moyenne de 2 B-scans).
  • Système Gen 2 : CNR de 1,74±0,07 (moyenne de 2 B-scans), augmentant à 1,93±0,08 avec une moyenne de 9 B-scans.
  • Système Gen 3 : CNR de 2,01±0,39 (moyenne de 9 B-scans), significativement supérieur au système commercial (1,80±0,33).

4. Performances du spectromètre

Les performances du spectromètre du système Gen 3 ont considérablement augmenté. La plage dynamique avec détection unique atteint 114 dB, et avec la détection équilibrée elle approche 120 dB, ce qui est comparable à certains systèmes OCT à source balayée. De plus, la conception du spectromètre Gen 3 est plus efficace, en remplaçant le miroir parabolique hors axe par des lentilles, réduisant ainsi les pertes de puissance.

Principaux résultats

  • Amélioration de la qualité d’imagerie : La détection équilibrée et l’algorithme HM du système Gen 3 améliorent considérablement la qualité des images, augmentant le CNR de 73 % (par rapport à la détection unique).
  • Meilleure adaptabilité clinique : Le système Gen 3 intègre une cible de fixation externe (« fixation target ») et une caméra pupillaire améliorée, permettant aux opérateurs d’obtenir des images rétiniennes plus rapidement et avec plus de précision.
  • Rapport coût-efficacité : Bien que le coût ait augmenté (9522 dollars), les performances du système Gen 3 surpassent celles des générations précédentes tout en restant bien inférieures au coût des systèmes commerciaux.

Conclusion et implications

Le système OCT de troisième génération à faible coût développé dans cette étude présente des avancées significatives sur le plan des performances d’imagerie, de la facilité d’utilisation et du rapport coût-efficacité. Grâce à la détection équilibrée, à une conception de spectromètre améliorée et à l’algorithme d’appariement d’histogramme auto-référencé, le système Gen 3 est capable de produire des images rétiniennes de qualité comparable à celles des systèmes commerciaux. Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour le diagnostic des maladies rétiniennes dans les zones à faibles ressources, en particulier pour des applications au point de soin.

Points forts de la recherche

  1. Innovation matérielle : Le système Gen 3 a introduit la détection équilibrée et un spectromètre amélioré, augmentant considérablement la récupération des signaux et réduisant le bruit.
  2. Innovation algorithmique : L’algorithme HM a permis d’améliorer le contraste des images sans sacrifier la résolution.
  3. Application clinique : Les améliorations, comme la cible de fixation externe et la caméra pupillaire, rendent la capture d’images rétiniennes plus pratique et précise.
  4. Rapport coût-efficacité : Bien que le coût ait augmenté, le système Gen 3 surpasse largement les générations précédentes et reste beaucoup moins coûteux que les systèmes commerciaux.

Informations supplémentaires intéressantes

L’équipe de recherche a également exploré des pistes d’optimisation futures, telles que le développement d’algorithmes de traitement d’image en temps réel et la production à grande échelle pour réduire encore les coûts. En outre, la conception du système Gen 3 pourrait inspirer des applications OCT dans d’autres domaines, comme le diagnostic des maladies neurodégénératives.

Cette étude fournit une base théorique et pratique importante pour le développement de la technologie OCT à faible coût, avec un potentiel scientifique et appliqué étendu.