Un dispositif de fluorescence portable pour l'identification peropératoire des tumeurs cérébrales humaines
Gliome malin (Malignant Glioma, MG) est le type le plus courant de tumeur cérébrale maligne primaire. La résection chirurgicale du MG reste la pierre angulaire du traitement, et l’étendue de la résection est fortement corrélée à la survie des patients. Cependant, il est difficile de distinguer le tissu tumoral du tissu normal pendant la chirurgie, ce qui limite considérablement l’efficacité de la résection chirurgicale. L’imagerie par fluorescence est une technologie émergente qui permet de visualiser en temps réel le MG et ses frontières pendant la chirurgie. Cependant, les microscopes neurochirurgicaux à imagerie par fluorescence de niveau clinique existants ont un taux d’adoption faible en raison de leur coût élevé, de leur faible portabilité, de leur flexibilité opérationnelle limitée et du manque de personnel technique qualifié. Pour surmonter ces limitations, les chercheurs ont innové en intégrant une source lumineuse miniature, un filtre basculable et une caméra d’enregistrement dans une loupe chirurgicale, créant ainsi un dispositif de lunettes à fluorescence portable pour l’imagerie par fluorescence peropératoire.
Source
Cet article a été écrit par Mehrana Mohtasebi, Chong Huang, Mingjun Zhao, Siavash Mazdeyasna, Xuhui Liu, Samaneh Rabienia Haratbar, Faraneh Fathi, Jinghong Sun, Thomas Pittman et Guoqiang Yu, les auteurs appartenant respectivement au Département de génie biomédical de l’Université du Kentucky (University of Kentucky, Department of Biomedical Engineering), à Bioptics Technology LLC et au Département de neurochirurgie de l’Université du Kentucky (University of Kentucky). Le travail de recherche de cet article a été financé par le programme de transfert de technologie pour petites entreprises des National Institutes of Health des États-Unis et le Kentucky Innovation Matching Fund Awards Program, les procédures éthiques et expérimentales pertinentes ayant été approuvées par le comité d’éthique de l’Université du Kentucky. Cet article a été publié le 1er décembre 2023 dans l’IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine.
Processus de recherche
Cette étude décrit le développement et les tests de deux dispositifs portables à fluorescence (Floupe) : Floupe-1 pour l’imagerie de la fluorescéine et Floupe-2 pour l’imagerie de l’acide aminolévulinique (5-ALA).
Développement et tests de Floupe-1
Floupe-1 a été développé à partir d’une loupe de chirurgie commerciale (EyeZoom™ 5.0x, Orascoptic) et d’un support de lampe frontale (Halogen III, BFW). Les chercheurs ont installé un filtre d’excitation (MF475-35, Thorlabs) devant la lampe frontale à fibres optiques pour générer une lumière étroite pour l’excitation de la fluorescéine. Ensuite, une paire de filtres d’émission (MF530-43, Thorlabs) a été installée sur la loupe chirurgicale pour visualiser la fluorescéine.
Les chercheurs ont d’abord testé les performances de Floupe-1 dans un fantôme fluorescent simulant une tumeur. Le fantôme solide a été fabriqué à l’aide d’une imprimante 3D (Gigabot® 3.0) et comportait des trous de différentes tailles pour tester la sensibilité de l’imagerie et la résolution spatiale. Ces trous ont été remplis de fluorescéine à des concentrations différentes (1 à 8 mg/kg), d’une solution d’Intralipid pour ajuster le coefficient de diffusion et d’encre de Chine pour ajuster le coefficient d’absorption.
De plus, Floupe-1 a été testé chez un patient atteint de MG. Le patient a reçu 5 mg/kg de poids corporel de fluorescéine par voie intraveineuse lors de l’induction de l’anesthésie. Pendant la résection du MG, un microscope Pentero® 900 équipé d’un filtre jaune 560™ a été utilisé pour identifier le MG en peropératoire, puis le dispositif Floupe-1 a été utilisé pour imager le MG identifié.
Développement et tests de Floupe-2
Pour répondre aux besoins de l’imagerie du 5-ALA, les chercheurs ont collaboré avec Surgitel pour développer Floupe-2. Le produit standard Surgitel comprend une lampe frontale à LED blanche alimentée par une batterie au lithium rechargeable et une loupe chirurgicale pouvant grossir jusqu’à 10 fois. Pour l’imagerie du 5-ALA, la LED blanche a été remplacée par une LED bleue à haute intensité à bande étroite (405 ± 5 nm, SST-10-UV, Luminus Devices). Les chercheurs ont également conçu et fabriqué un support de filtre pivotant à 180 degrés et intégré un filtre optique à longue passe (>550 nm, #15-213, Edmund Optics) devant la caméra.
Floupe-2 a été testé chez 10 patients atteints de MG, comparé à un microscope Pentero® 900 équipé du module bleu 400™. Les patients ont reçu 20 mg/kg de poids corporel de 5-ALA (Gliolan, Medac) quatre heures avant l’induction de l’anesthésie.
Principaux résultats
Lors des tests sur le fantôme fluorescent, les résultats de l’imagerie fluorescente obtenus avec le microscope Pentero® 900 équipé d’un filtre jaune 560™ et ceux de Floupe-1 pour le “tumor” étaient similaires ; des trous d’un diamètre minimum de 2 mm et des concentrations de fluorescéine aussi faibles que 1 mg/kg ont été identifiés. Lors des tests sur les patients, les signaux de fluorescence des tumeurs obtenus avec le microscope Pentero® 900 équipé d’un filtre jaune 560™ et ceux avec Floupe-1 étaient similaires.
Les tests sur les patients atteints de MG ont montré que les résultats d’imagerie obtenus avec le microscope Pentero® 900 équipé du module bleu 400™ et ceux avec Floupe-2 étaient cohérents ; le tissu tumoral fluorescent était visualisé de manière similaire par les deux dispositifs.
Conclusion et signification
L’imagerie fluorescente peropératoire permettant la détection en temps réel des cancers peut améliorer significativement la survie des patients. Cependant, la plupart des systèmes d’imagerie fluorescente de niveau clinique sont limités dans leur application en raison de leur coût élevé, de leur faible portabilité et de leur flexibilité opérationnelle limitée. Par rapport aux microscopes neurochirurgicaux coûteux, volumineux et fixes, les dispositifs portables Floupe offrent des avantages en termes de coûts, de portabilité élevée et de flexibilité opérationnelle, augmentant ainsi la capacité d’un plus grand nombre de chirurgiens à effectuer des interventions chirurgicales rapides et complètes, améliorant ainsi la sécurité et le pronostic des patients.
Le développement des dispositifs Floupe comprend plusieurs étapes telles que la conception technique, l’optimisation expérimentale, les tests sur des fantômes et l’application clinique, ce qui constitue une étape importante dans la traduction de la technologie innovante d’imagerie fluorescente portable en application clinique. Les résultats de la recherche indiquent que ces dispositifs ont un potentiel élevé pour l’imagerie fluorescente en temps réel du MG et peuvent constituer une alternative efficace aux microscopes fixes grands formats existants, avec la possibilité d’être utilisés dans d’autres domaines chirurgicaux. L’équipe de recherche envisage de continuer à optimiser ces dispositifs, à les valider sur un plus grand nombre de patients et obtenir l’approbation de la FDA pour une utilisation clinique large.
Points forts de l’étude
- Innovation : Le dispositif Floupe intègre une source lumineuse miniature, un filtre basculable et une caméra d’enregistrement, permettant une imagerie fluorescente en temps réel peropératoire.
- Rentabilité : Par rapport aux microscopes fixes coûteux, les dispositifs Floupe présentent un avantage de coût significatif.
- Flexibilité opérationnelle : Les dispositifs portables permettent une plus grande amplitude de mouvement, réduisant les obstacles opérationnels et accélérant le processus chirurgical.
- Potentiel d’application : Les dispositifs ont prouvé leur utilité non seulement dans la chirurgie des tumeurs cérébrales, mais aussi dans d’autres environnements chirurgicaux.
- Capacité de visualisation : Les performances d’imagerie fluorescente des dispositifs dans les fantômes et chez les patients sont comparables à celles des microscopes standard.