Nouveau lazer, microscope etc

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Les chercheurs qui mènent la guerre au cancer peuvent maintenant compter sur une nouvelle arme : la caméra infrarouge ZephIR, conçue par l'entreprise montréalaise Photon etc., assez précise pour permettre de voir à travers la peau.

Grande spécialiste de l'instrumentation optique et photonique, Photon etc. a mis au point un appareil qui offre des avantages importants par rapport aux méthodes actuelles. Il est beaucoup moins coûteux, d'abord, mais il offre aussi une meilleure résolution que la résonance magnétique, ne nécessite pas la manipulation de produits radioactifs comme d'autres techniques d'imagerie médicale et est moins effractif.

La lumière infrarouge pénètre quelques centimètres dans la peau. « À un ou deux centimètres, on voit encore bien », explique le président et chef de la direction de Photon etc., Sébastien Blais-Ouellette.

Ça semble peu, mais c'est déjà amplement suffisant pour aider les chercheurs qui travaillent en essais précliniques sur des souris. La petite taille des rongeurs permet d'inspecter certains de leurs organes directement.

« L'un de nos plus gros clients est un important centre de recherche sur le cancer, à New York », indique M. Blais-Ouellette.

Chez l'humain, la caméra ZephIR pourrait être utilisée en combinaison avec des nanosondes. Un client de l'entreprise a par exemple développé des nanosondes, pas encore approuvées pour utilisation, qui, placées dans le sang, changent de couleur en fonction de la concentration de microARN qui les entoure. La présence de microARN pouvant témoigner de la présence d'un cancer, la caméra ZephIR pourrait ainsi détecter la maladie en regardant le sang passer dans un vaisseau sanguin près de la surface du corps.

UN NOUVEAU MARCHÉ

À moyen terme, la caméra pourra servir à analyser des biopsies, dans le cadre de traitements par immunothérapie. Ces traitements doivent être calibrés pour chaque cas en se basant sur diverses informations biologiques recueillies au moyen de biopsies. Or il est souvent difficile d'obtenir toute l'information nécessaire à l'aide des équipements actuels. La caméra ZephIR permet d'utiliser jusqu'à 17 couleurs à la fois lors de l'analyse, contre seulement 7 pour les meilleurs équipements concurrents.

« Ça ouvre un nouveau marché », se réjouit M. Blais-Ouellette.

Photon etc. vend aussi des appareils destinés aux centres de tri afin de séparer automatiquement les plastiques recyclables de ceux qui ne le sont pas. La caméra ZephIR viendra en augmenter l'efficacité. Des équipes de recherche en panneaux solaires ont aussi manifesté leur intention de l'utiliser pour analyser les matériaux.

Photon etc., qui emploie une vingtaine de personnes, pense pouvoir vendre quelques dizaines de caméras ZephIR. Les commandes vont bon train.

« Nous avons déjà un carnet de commandes d'un million de dollars. »

A deep-learning computer network developed through research led by Case Western Reserve University was 100 percent accurate in determining whether invasive forms of breast cancer were present in whole biopsy slides.

Looking closer, the network correctly made the same determination in each individual pixel of the slide 97 percent of the time, rendering near-exact delineations of the tumors.

Compared to the analyses of four pathologists, the machine was more consistent and accurate, in many cases improving on their delineations.

In a field where time and accuracy can be critical to a patient's long-term prognosis, the study is a step toward automating part of biopsy analysis and improving the efficiency of the process, the researchers say.

Currently, cancer is present in one in 10 biopsies ordered by physicians, but all must be analyzed by pathologists to identify the extent and volume of the disease, determine if it has spread and whether the patient has an aggressive or indolent cancer and needs chemotherapy or a less drastic treatment.

Last month, the U.S. Food and Drug Administration approved software that allows pathologists to review biopsy slides digitally to make diagnosis, rather than viewing the tissue under a microscope.

"If the network can tell which patients have cancer and which do not, this technology can serve as triage for the pathologist, freeing their time to concentrate on the cancer patients," said Anant Madabushi, F. Alex Nason professor II of biomedical engineering at Case Western Reserve and co-author of the study detailing the network approach, published in Scientific Reports.

The study

To train the deep-learning network, the researchers downloaded 400 biopsy images from multiple hospitals. Each slide was approximately 50,000 x 50,000 pixels. The computer navigated through or rectified the inconsistencies of different scanners, staining processes and protocols used by each site, to identify features in cancer versus the rest of the tissue.

The researchers then presented the network with 200 images from The Cancer Genome Atlas and University Hospitals Cleveland Medical Center. The network scored 100 percent on determining the presence or absence of cancer on whole slides and nearly as high per pixel.

"The network was really good at identifying the cancers, but it will take time to get up to 20 years of practice and training of a pathologist to identify complex cases and mimics, such as adenosis," said Madabhushi, who also directs the Center of Computational Imaging and Personalized Diagnostics at Case Western Reserve.

Network training took about two weeks, and identifying the presence and exact location of cancer in the 200 slides took about 20 to 25 minutes each.

That was done two years ago. Madabhushi suspects training now -- with new computer architecture -- would take less than a day, and cancer identification and delineation could be done in less than a minute per slide.

"To put this in perspective," Madabhushi said, "the machine could do the analysis during 'off hours,' possibly running the analysis during the night and providing the results ready for review by the pathologist when she/he were to come into the office in the morning."

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Un réseau informatique d'apprentissage en profondeur développé grâce à la recherche menée par Case Western Reserve University était 100% précis pour déterminer si des formes invasives de cancer du étaient présentes dans des lames de biopsie entières.

En se rapprochant, le réseau a correctement effectué la même détermination dans chaque pixel individuel de la diapositive 97 pour cent du temps, ce qui rend les délimitations quasi-exactes des tumeurs.

Par rapport aux analyses de quatre pathologistes, la machine était plus cohérente et plus précise, améliorant souvent les délimitations.

Dans un domaine où le temps et la précision peuvent être essentiels au pronostic à long terme d'un patient, l'étude est une étape vers l'automatisation d'une partie de l'analyse biopsique et l'amélioration de l'efficacité du processus, affirment les chercheurs.

Actuellement, le cancer est présent dans une des 10 biopsies commandées par les médecins, mais tous doivent être analysés par des pathologistes pour identifier l'étendue et le volume de la maladie, déterminer si elle s'est propagée et si le patient a un cancer agressif ou indolent et a besoin de chimiothérapie ou un traitement moins drastique.

Le mois dernier, le logiciel approuvé par les États-Unis pour l'administration des aliments et des médicaments permet aux pathologistes d'examiner numériquement les diapositives de biopsie pour faire un diagnostic plutôt que de regarder le tissu sous un microscope.

"Si le réseau peut indiquer quels patients ont un cancer et qui ne l'ont pas, cette technologie peut servir de triage pour le pathologiste, libérant leur temps à se concentrer sur les patients atteints de cancer", a déclaré Anant Madabushi, F. Alex Nason, professeur II de génie biomédical au Case Western Reserve et coauteur de l'étude détaillant l'approche réseau, publiée dans Scientific Reports.

L'étude

Pour former le réseau d'apprentissage en profondeur, les chercheurs ont téléchargé 400 images de biopsie de plusieurs hôpitaux. Chaque diapositive était d'environ 50,000 x 50,000 pixels. L'ordinateur a parcouru ou corrigé les incohérences de différents scanners, un processus de coloration et protocoles utilisés par chaque site, pour identifier les caractéristiques du cancer par rapport au reste du tissu.

Les chercheurs ont ensuite présenté le réseau avec 200 images au Cancer Genome Atlas et aux hôpitaux universitaires du Cleveland Medical Center. Le réseau a marqué 100 pour cent pour déterminer la présence ou l'absence de cancer sur des diapositives entières et un rendement presque aussi élevé par pixel.

"Le réseau a été vraiment utile pour identifier les cancers, mais il faudra du temps pour faire jusqu'à 20 ans de pratique et de formation d'un pathologiste pour identifier des cas complexes et des ressemblances, comme l'adénose", a déclaré Madabhushi, qui dirige également le Centre de L'imagerie par ordinateur et les diagnostics personnalisés dans Case Western Reserve.

La formation en réseau a duré environ deux semaines et l'identification de la présence et de l'emplacement exact du cancer dans les 200 diapositives a duré environ 20 à 25 minutes chacune.

Cela a été fait il y a deux ans. Madabhushi suspecte que la formation en réseau maintenant - avec une nouvelle architecture informatique - prendrait moins d'une journée, et l'identification et la délimitation du cancer pourraient se faire en moins d'une minute par diapositive.

"Pour mettre cela en perspective", a déclaré Madabhushi, "la machine pourrait faire l'analyse pendant les heures de repos, peut-être faire l'analyse pendant la nuit et fournir les résultats prêts à être examinés par le pathologiste quand il entre au Bureau le matin. "

In  an important step toward endoscopic diagnosis of cancer, researchers have developed a handheld fiber optic probe that can be used to perform multiple nonlinear imaging techniques without the need for tissue staining. The new multimodal imaging probe uses an ultrafast laser to create nonlinear optical effects in tissue that can reveal cancer and other diseases.

Today, cancer is typically diagnosed by removing a bit of tissue with a biopsy and then sending that tissue to a specially trained pathologist who stains the tissue and uses a microscope to look for cancerous cells. The ability for doctors to skip the biopsy and use a multimodal imaging endoscope to diagnose cancer on the spot would save valuable time and could also allow surgeons to more easily differentiate between cancerous and healthy tissue during surgery.

With the new probe, imaging techniques that previously required bulky table-top instruments can be performed with a handheld device measuring only 8 millimeters in diameter, about the same diameter as a ballpoint pen. If miniaturized further, the probe could easily be integrated into an endoscope for nonlinear multimodal imaging inside the body.

"We hope that, one day, multimodal endoscopic imaging techniques could help doctors make quick decisions during surgery, without the need for taking biopsies, using staining treatments or performing complex histopathological procedures," said Jürgen Popp, from Leibniz Institute of Photonic Technology in Jena, Germany and the paper's lead author.

The researchers detail their new handheld probe in Optica, The Optical Society's journal for high impact research. It is the first miniaturized probe for multimodal biological imaging to incorporate a multicore imaging fiber, a type of optical fiber consisting of several thousand light-guiding elements. This special imaging fiber allowed the researchers to keep all moving parts and electric power outside of the probe head, making the probe easy and safe to use in the body.

The researchers have tested the probe with many types of tissue samples, but because it is currently designed for forward view mode, the primary applications of the probe would likely include skin, brain or head and neck surgery. They are working on implementing a side view mode that could be used to investigate hollow organs and arteries such as the colon, bladder or aorta.

A mini microscope

"The new probe serves as a miniaturized microscope that uses near-infrared lasers to investigate tissue," said Popp. "Different components of biological tissue react differently to the excitation lasers, and their unique response gives us information about the molecular composition and morphology within the tissue."

The handheld multimodal imaging probe can simultaneously acquire several types of images: coherent anti-stokes Raman scattering, second harmonic generation and two-photon excited auto-fluorescence. These nonlinear imaging techniques have been shown to be useful for clinical diagnostics, including identifying cancerous cells, but it has been difficult to miniaturize the required instrumentation for use inside the body.

The probe's reduced size comes from its use of gradient index, or GRIN, lenses to focus the laser light. Compared to traditional spherical lenses that use complicated shaped surfaces to focus light, GRIN lenses can be made very small because they focus light through continuous refractive index changes within the lens material. Popp's research team collaborated with scientists from Grintech Gmbh who designed GRIN lenses only 1.8 millimeters in diameter and helped incorporate the robust lens assembly into a small aluminum housing.

Endoscopes designed for nonlinear imaging commonly use moving mirrors and electromechanical devices for point by point laser scanning in the probe head. Using the multicore imaging fiber allowed the researchers to further reduce the device's size by moving the laser scanning out of the probe head and away from the sample site. Because the fiber's thousands of light guiding elements, or cores, preserve the spatial relationship of the light between the two ends of the fiber, the scanning can be performed at the opposite end of the fiber, making an endoscopic approach much easier.

"Compared to other endoscopic nonlinear imaging approaches, our fiber probe stands out due to its simplicity," said Popp. "Since no moving parts are incorporated in the probe head, possible misalignments in the optics are limited and the probe's overall lifetime is increased."

Multimodal imaging of tissue

The researchers demonstrated the unique capabilities of the multicore imaging fiber by moving one end of the probe across a sample and transferring the acquired images to the other end. "This is not a trivial task since the cores of the imaging fiber differ in size and shape, hindering efficient and homogeneous coupling of the excitation lasers," said Popp. "Furthermore, we had to deal with unwanted effects like different wavelengths interacting inside the fiber and core-to-core light coupling."

They also demonstrated that the probe could acquire separate coherent anti-stokes Raman scattering, second harmonic generation and two-photon excited autofluorescence images of healthy human skin tissue samples with a resolution of 2048 by 2048 pixels for a scanned area of 300 by 300 microns. This resolution and field of view is sufficient for identifying tumor borders, and the probe can be moved over the tissue surface to get an overview of the affected area.

The researchers are working to use algorithms to improve the quality of the multimodal images, which appear pixelated because of the structure of the multicore imaging fiber. As a next step, they plan to test the probe in animal models and with patients in a clinical setting.

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Dans une étape importante vers le diagnostic endoscopique du cancer, les chercheurs ont développé une sonde à fibre optique portative qui peut être utilisée pour effectuer de nombreuses techniques d'imagerie non linéaire sans nécessité de coloration des tissus. La nouvelle sonde d'imagerie multimodale utilise un laser ultra-rapide pour créer des effets optiques non linéaires dans les tissus qui peuvent révéler le cancer et d'autres maladies.

Aujourd'hui, le cancer est généralement diagnostiqué en enlevant un morceau de tissu avec une biopsie, puis en envoyant ce tissu à un pathologiste spécialement formé qui tache le tissu et utilise un microscope pour rechercher des cellules cancéreuses. La possibilité pour les médecins de sauter la biopsie et d'utiliser un endoscope d'imagerie multimodale pour diagnostiquer le cancer sur place permettrait d'économiser un temps précieux et pourrait également permettre aux chirurgiens de différencier plus facilement les tissus cancéreux et sains lors de la chirurgie.

Avec la nouvelle sonde, les techniques d'imagerie qui nécessitaient auparavant des instruments de table volumineux peuvent être réalisées avec un appareil portatif mesurant seulement 8 millimètres de diamètre, à peu près au même diamètre qu'un stylo à bille. En cas de miniaturisation, la sonde pourrait facilement être intégrée dans un endoscope pour l'imagerie multimodale non linéaire à l'intérieur du corps.

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"Nous espérons que, un jour, les techniques d'imagerie endoscopique multimodale pourraient aider les médecins à prendre rapidement des décisions lors de la chirurgie, sans avoir besoin de biopsies, d'utiliser des traitements de coloration ou d'effectuer des procédures histopathologiques complexes", a déclaré Jürgen Popp, du Leibniz Institute of Photonic Technology à Jena , L'Allemagne et l'auteur principal du document.

Les chercheurs détaillent leur nouvelle sonde portative dans Optica, journal de The Optical Society pour une recherche à fort impact. C'est la première sonde miniaturisée pour l'imagerie biologique multimodale à incorporer une fibre d'imagerie multicœur, un type de fibre optique composé de plusieurs milliers d'éléments guidant la lumière. Cette fibre d'imagerie spéciale a permis aux chercheurs de garder toutes les pièces mobiles et de l'énergie électrique à l'extérieur de la tête de la sonde, ce qui rend la sonde facile et sûre à utiliser dans le corps.

Les chercheurs ont testé la sonde avec de nombreux types d'échantillons de tissus, mais parce qu'il est actuellement conçu pour le mode de vision vers l'avant, les principales applications de la sonde comprennent probablement la chirurgie de la peau, du cerveau ou de la tête et du cou. Ils travaillent sur la mise en œuvre d'un mode de vision latérale qui pourrait être utilisé pour étudier les organes creux et les artères telles que le colon, la vessie ou l'aorte.

Un mini microscope

"La nouvelle sonde sert de microscope miniaturisé qui utilise des lasers à infrarouge proche pour enquêter sur les tissus", a déclaré Popp. "Les différents composants du tissu biologique réagissent différemment aux lasers d'excitation et leur réponse unique nous donne des informations sur la composition moléculaire et la morphologie dans le tissu".

La sonde d'imagerie multimodale portative peut simultanément acquérir plusieurs types d'images: la diffusion Raman anti-stokes cohérente, la génération de deuxième harmonique et l'auto-fluorescence excitée à deux photons. Ces techniques d'imagerie non linéaire ont été jugées utiles pour le diagnostic clinique, y compris l'identification des cellules cancéreuses, mais il a été difficile de miniaturiser l'instrumentation requise pour l'utilisation dans le corps.

La taille réduite de la sonde provient de l'utilisation de l'indice de gradient, ou des lentilles GRIN, pour focaliser la lumière laser. Par rapport aux lentilles sphériques traditionnelles qui utilisent des surfaces façonnées compliquées pour focaliser la lumière, les lentilles GRIN peuvent être très petites car elles se focalisent sur la lumière grâce à des changements continus d'indice de réfraction dans le matériau de la lentille. L'équipe de recherche de Popp a collaboré avec des scientifiques de Grintech Gmbh qui ont conçu des lentilles GRIN de seulement 1,8 millimètre de diamètre et ont aidé à intégrer l'ensemble d'objectif robuste dans un petit boîtier en aluminium.

Les endoscopes conçus pour l'imagerie non linéaire utilisent généralement des miroirs mobiles et des dispositifs électromécaniques pour le balayage laser point par point dans la tête de la sonde. L'utilisation de la fibre d'image multicore a permis aux chercheurs de réduire davantage la taille de l'appareil en déplaçant le balayage laser hors de la tête de la sonde et à distance du site d'échantillonnage. Étant donné que les milliers d'éléments de guidage de la lumière ou de noyaux de la fibre préservent la relation spatiale de la lumière entre les deux extrémités de la fibre, le balayage peut être effectué à l'extrémité opposée de la fibre, rendant une approche endoscopique beaucoup plus facile.

"Par rapport à d'autres approches endoscopiques d'imagerie non linéaire, notre sonde de fibre se distingue par sa simplicité", a déclaré Popp. "Comme aucune pièce mobile n'est incorporée dans la tête de la sonde, les éventuels désalignements dans l'optique sont limités et la durée de vie globale de la sonde augmente".

Imagerie multimodale des tissus

Les chercheurs ont démontré les capacités uniques de la fibre d'image multicore en déplaçant une extrémité de la sonde sur un échantillon et en transférant les images acquises à l'autre extrémité. "Ce n'est pas une tâche banale puisque les noyaux de la fibre d'imagerie diffèrent en taille et en forme, ce qui entrave un couplage efficace et homogène des lasers d'excitation", a déclaré Popp.

"En outre, nous avons dû faire face à des effets indésirables comme des longueurs d'ondes différentes interagissant à l'intérieur de la fibre et du couplage de lumière de noyau à coeur".

Ils ont également démontré que la sonde pourrait acquérir des images cohérentes distinctes de diffusion Raman, de la deuxième harmonisation et des images d'autofluorescence animées à deux photons d'échantillons de tissus de peau humains sains avec une résolution de 2048 de 2048 pixels pour une surface scannée de 300 à 300 microns. Cette résolution et ce champ de vision sont suffisants pour identifier les bordures de la tumeur et la sonde peut être déplacée sur la surface du tissu pour obtenir un aperçu de la zone touchée.

Les chercheurs travaillent à utiliser des algorithmes pour améliorer la qualité des images multimodales, qui apparaissent pixélisées en raison de la structure de la fibre d'image multicore. À l'étape suivante, ils envisagent de tester la sonde dans les modèles animaux et chez les patients en milieu clinique.

À Vancouver, un chirurgien utilise le laser pour traiter les tumeurs au cerveau. Il s'agit d'une opération unique au pays et qui est fort prometteuse.

Chaque jour, 27 Canadiens reçoivent un diagnostic de cancer du cerveau. Bien souvent, les pronostics sont mauvais. Mais les choses pourraient changer, grâce à cette percée médicale canadienne.

Carling Muir, une jeune femme de la Colombie-Britannique, est la 20e patiente à recevoir le traitement NeuroBlate au Canada.

Sa bataille contre le cancer a débuté il y a 10 ans, après qu'elle se fut effondrée lors d'un match de basketball. Dans les minutes qui ont suivi, les médecins ont découvert une tumeur gigantesque dans le lobe gauche de son cerveau. Depuis, sa vie est en suspens.

« Je m'inquiète plus pour les membres de ma famille que pour ma propre santé. Ce qui me dérange en ce moment, c’est l'inquiétude et la peine que je cause à mes parents, à mon frère et à mon conjoint », confie Carling Muir.

Elle a eu droit à plusieurs traitements de chimiothérapie au cours des dernières années. Elle a aussi été en rémission. Mais, depuis quelque temps, la tumeur est de retour, et cette fois-ci, les traitements ne fonctionnent plus.

Elle s'est donc tournée vers le neurochirurgien Brian Toyota. C'est le seul médecin qui pratique la technique NeuroBlate au Canada, une chirurgie qui consiste à insérer par le biais d'une petite incision faite dans le crâne, un laser qui s'attaque à la tumeur directement dans le cerveau.

Comment cela fonctionne-t-il?

La technique NeuroBlate a été mise au point par Mark Torchia et Richard Tyc, de l'Université du Manitoba. Elle consiste à chauffer les tissus cancéreux et, ainsi, à les rendre plus réceptifs aux traitements de chimiothérapie.



    C'est nouveau, et ça nous permet de nous attaquer à des tumeurs qui, autrefois, étaient trop grosses pour qu'on les opère.
    Le Dr Brian Toyota, de l'Hôpital général de Vancouver

Le laser a aussi d'autres avantages. Il est beaucoup moins intrusif que les chirurgies traditionnelles, qui nécessitent des semaines de convalescence.

En fait, l'opération peut se faire en quelques heures. Il faut compter environ 45 minutes pour installer la sonde, puis le patient se repose pendant 4 heures, avant que débute le traitement au laser, d'une durée de 20 minutes.

Le but de cette chirurgie est de cibler les cellules anormales et de protéger les tissus en bonne santé qui entourent la tumeur.

    Il faut faire attention. Malgré son potentiel, la NeuroBlate ne guérira pas du cancer, et elle n'est pas adaptée à tous les patients. La chirurgie fera partie d'une combinaison de traitements.
    Le Dr Toyota

Ce type de cancer est plutôt rare. Il représente une faible proportion de tous les cas de cancer, soit 1,7 % chez les hommes et 1,3 % chez les femmes, selon les estimations pour 2016 de la Société canadienne du cancer. Seulement le quart (24 %) des adultes atteints de ce cancer sont encore en vie cinq ans après le diagnostic.

Qui peut avoir accès à ce traitement?

Santé Canada a breveté le système pour que les neurologues coagulent ou tuent les tissus cancéreux. Il est spécifié que le traitement ne peut guérir, prévenir, atténuer ou servir à diagnostiquer la maladie.

C'est aux médecins d'utiliser leur jugement clinique et leur expérience pour décider quels patients sont les plus aptes à recevoir la chirurgie.

Où peut-on obtenir la chirurgie?

Au Canada, seul le Dr Brian Toyota, de l'Hôpital général de Vancouver, a utilisé la procédure. Quarante-quatre appareils NeuroBlate sont en ce moment utilisés aux États-Unis.

Des hôpitaux de Montréal et de Toronto ont récemment acquis la technologie, et leurs médecins s'entraînent en ce moment dans le but d'effectuer leur première chirurgie au cours des prochains mois.


Un texte d’Yvan Côté

Des chercheurs de l’Université de Washington ont mis au point un microscope de la taille et de la forme d’un stylo pour que les chirurgiens identifient les cellules cancéreuses pendant l’opération. Grâce à ce microscope relié à un écran développé par des ingénieurs en génie mécanique, les chirurgiens pourront voir à l’échelle cellulaire et savoir quand s’arrêter de couper pour retirer une tumeur sans laisser de cellules malignes ou risquer de créer des dommages.

Cette nouvelle technologie, mise au point en partenariat avec le Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Stanford University et le Barrow Neurological Institute, utilise les images en haute définition d'un microscope grâce à la technique du microsystème électromécanique.

Sa performance n’est pas impactée par sa taille réduite : la résolution, les contrastes et la qualité de l’image restent meilleurs que pour les dispositifs existants. L’approche innovante utilisée permet également d’éclairer pour voir plus clairement à travers les tissus opaques. Le microscope miniature capture les détails jusqu’à un demi millimètre en dessous de la surface des tissus, là où certaines cellules cancéreuses prolifèrent.

Ce dispositif sera utile pour éviter des procédures invasives comme les biopsies et pourrait également servir dans les cas dermatologiques ou dentaires pour mieux évaluer les lésions et la nécessité d’opérer. Les chercheurs espèrent tester l’efficacité de ce microscope comme détecteur de cancer dans le cadre clinique dès l’année prochaine et l’introduire dans des opérations ou d’autres procédures d’ici deux à quatre ans.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Sep. 4, 2013 — A new laser-based technology may make brain tumor surgery much more accurate, allowing surgeons to tell cancer tissue from normal brain at the microscopic level while they are operating, and avoid leaving behind cells that could spawn a new tumor.
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In a new paper, featured on the cover of the journal Science Translational Medicine, a team of University of Michigan Medical School and Harvard University researchers describes how the technique allows them to "see" the tiniest areas of tumor cells in brain tissue.

They used this technique to distinguish tumor from healthy tissue in the brains of living mice -- and then showed that the same was possible in tissue removed from a patient with glioblastoma multiforme, one of the most deadly brain tumors.

Now, the team is working to develop the approach, called SRS microscopy, for use during an operation to guide them in removing tissue, and test it in a clinical trial at U-M. The work was funded by the National Institutes of Health.

A need for improvement in tumor removal

On average, patients diagnosed with glioblastoma multiforme live only 18 months after diagnosis. Surgery is one of the most effective treatments for such tumors, but less than a quarter of patients' operations achieve the best possible results, according to a study published last fall in the Journal of Neurosurgery.

"Though brain tumor surgery has advanced in many ways, survival for many patients is still poor, in part because surgeons can't be sure that they've removed all tumor tissue before the operation is over," says co-lead author Daniel Orringer, M.D., a lecturer in the U-M Department of Neurosurgery who has worked with the Harvard team since a chance meeting with a team member during his U-M residency.

"We need better tools for visualizing tumor during surgery, and SRS microscopy is highly promising," he continues. "With SRS we can see something that's invisible through conventional surgical microscopy."

The SRS in the technique's name stands for stimulated Raman scattering. Named for C.V. Raman, one of the Indian scientists who co-discovered the effect and shared a 1930 Nobel Prize in physics for it, Raman scattering involves allows researchers to measure the unique chemical signature of materials.

In the SRS technique, they can detect a weak light signal that comes out of a material after it's hit with light from a non-invasive laser. By carefully analyzing the spectrum of colors in the light signal, the researchers can tell a lot about the chemical makeup of the sample.

Over the past 15 years, Sunney Xie, Ph.D., of the Department of Chemistry and Chemical Biology at Harvard University -- the senior author of the new paper -- has advanced the technique for high-speed chemical imaging. By amplifying the weak Raman signal by more than 10,000 times, it is now possible to make multicolor SRS images of living tissue or other materials. The team can even make 30 new images every second -- the rate needed to create videos of the tissue in real time.

Seeing the brain's microscopic architecture

A multidisciplinary team of chemists, neurosurgeons, pathologists and others worked to develop and test the tool. The new paper is the first time SRS microscopy has been used in a living organism to see the "margin" of a tumor -- the boundary area where tumor cells infiltrate among normal cells. That's the hardest area for a surgeon to operate -- especially when a tumor has invaded a region with an important function.

As the images in the paper show, the technique can distinguish brain tumor from normal tissue with remarkable accuracy, by detecting the difference between the signal given off by the dense cellular structure of tumor tissue, and the normal healthy grey and white matter.

The authors suggest that SRS microscopy may be as accurate for detecting tumor as the approach currently used in brain tumor diagnosis -- called H&E staining.

The paper contains data from a test that pitted H&E staining directly against SRS microscopy. Three surgical pathologists, trained in studying brain tissue and spotting tumor cells, had nearly the same level of accuracy no matter which images they studied. But unlike H&E staining, SRS microscopy can be done in real time, and without dyeing, removing or processing the tissue.

Next steps: A smaller laser, a clinical trial

The current SRS microscopy system is not yet small or stable enough to use in an operating room. The team is collaborating with a start-up company formed by members of Xie's group, called Invenio Imaging Inc., which is developing a laser to perform SRS through inexpensive fiber-optic components. The team is also working with AdvancedMEMS Inc. to reduce the size of the probe that makes the images possible.

A validation study, to examine tissue removed from consenting U-M brain tumor patients, may begin as soon as next year.


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Une nouvelle technologie basée sur le laser peut rendre la chirurgie des tumeurs du cerveau beaucoup plus précise , permettant aux chirurgiens de différencier les tissus atteints du cancer du cerveau normal au niveau microscopique pendant leur fonctionnement , et éviter de laisser derrière cellules qui pourraient engendrer une nouvelle tumeur .

Dans un nouveau document , présenté sur la couverture de la revue Science Translational Medicine , une équipe de l'Université du Michigan Medical School et de l'Université de Harvard explique comment la technique leur permet de «voir» les plus petites zones de cellules tumorales dans le tissu cérébral.

Ils ont utilisé cette technique pour distinguer les tumeurs de tissus sains dans le cerveau des souris vivantes - et ont ensuite montré que la même chose était possible sur des tissus prélevés chez un patient atteint d'un glioblastome multiforme, une des tumeurs les plus mortelles du cerveau.

Maintenant, l'équipe travaille à développer l' approche, appelée microscopie SRS , pour une utilisation lors d'une opération pour les guider dans l'ablation de tissus et de le tester dans un essai clinique à l'UM. Le travail a été financé par le National Institutes of Health.

Une nécessité d'améliorer ablation de la tumeur


"Bien que la chirurgie de tumeur cérébrale a progressé à bien des égards, la survie de nombreux patients est encore pauvre, en partie parce que les chirurgiens ne peuvent pas être sûr qu'ils ont enlevé tous les tissus tumeur avant que l'opération soit terminée", dit le co-auteur principal Daniel Orringer.

«Nous avons besoin de meilleurs outils pour la visualisation de la tumeur pendant la chirurgie, et la microscopie SRS est très prometteuse», poursuit-il. «Avec SRS , nous pouvons voir quelque chose qui est invisible au microscope chirurgical conventionnel . "
Le SRS au nom de la technique est synonyme de diffusion Raman stimulée . Nommé d'après C.V. Raman , l'un des scientifiques indiens qui a co-découvert l'effet et a partagé un prix Nobel de physique en 1930 pour cela, la diffusion Raman permet aux chercheurs de mesurer la signature chimique unique des matériaux.

Dans la technique SRS , ils peuvent détecter un signal de faible lumière qui sort d'un matériau après qu'il a frappé avec de la lumière provenant d'un laser non invasive . En analysant attentivement le spectre des couleurs dans le signal lumineux , les chercheurs peuvent en dire beaucoup sur la composition chimique de l'échantillon.

Au cours des 15 dernières années, Sunney Xie , Ph.D., du Département de chimie et de biologie chimique à l'Université de Harvard - l'auteur principal du nouveau document - a fait progresser la technique d'imagerie chimique à haute vitesse. En amplifiant le signal Raman faible par plus de 10.000 fois , il est maintenant possible de faire des images multicolores SRS de tissu vivant ou de d'autres matériaux . L'équipe peut même faire 30 nouvelles images par seconde - le taux nécessaire pour créer des vidéos du tissu en temps réel.


Prochaines étapes : un laser plus petit, un essai clinique

Le système de microscopie courant SRS n'est pas encore assez stable et petit pour être utiliser dans une salle d'opération . L'équipe travaille en collaboration avec une start -up formé par les membres du groupe de Xie, appelé Invenio Imaging Inc. , qui développe un laser pour effectuer les SRS grâce à des composants à fibres optiques bon marché. L'équipe travaille également avec AdvancedMEMS Inc. pour réduire la taille de la sonde qui rend les images possible.

Une étude de validation , pour examiner les tissus retirés de patients consentants de tumeurs cérébrales UM , pourra commencer dès l'année prochaine.

Quand je pense que les physiciens disaient que les sabres laser n’étaient pas possibles. Foutaise, je dis, Fou-taise. Je dis ça parce qu’un scientifique écossais a créé un appareil miniature qui attaque les cellules cancéreuses individuelles avec un cylindre de lumière. Un sabre laser de 2mm, ou plutôt un sabre lumineux, si vous préférez.

Son extrême précision (sans aide de la Force, s’il vous plait) permettra aux médecins de délivrer des médicaments exactement à l’endroit voulu ; alternativement, il peut être utilisé après qu’une tumeur a été enlevée pour s’assurer que la zone autour est bien propre. Apparemment, l’appareil servira aussi à atteindre des cancers qui normalement sont difficiles d’accès, comme celui du pancréas.

Cependant, comme toute invention médicale, il reste des tests et des essais à faire, et ce sabre-laser anti-cancer ne fait pas exception. Ceci étant dit, en entendant l’inventeur parler de son appareil, on ne peut être que excité par la nouvelle. Le

Docteur Frank Gunn-Moore a dit :
« Nous pouvons utiliser des laser pour percer des petits trous exactement où l’on veut. Nous pouvons produire un bâtonnet de lumière, parfois décrit comme une épée, qui peut même contourner des objets. Ça ressemble beaucoup à de la science-fiction. »

Le bon docteur ne compte pas s’arrêter avec le cancer. D’autres maladies, comme Alzheimer, sont également des cibles potentielles. Bravo !

Mar. 13, 2008 — Many people equate lasers with a sci-fi battle in a galaxy far, far away or, closer to home, with grocery store scanners and compact disc players. However, an ultra-fast, ultra-intense laser, or UUL, with laser pulse durations of one quadrillionth of a second, otherwise known as one femtosecond, could change cancer treatments, dentistry procedures, precision metal cutting, and joint implant surgeries.

Beaucoup de gens pensent que les lazers sont réservés aux films de science-fiction ou à l'épicerie et au compacts disques. toutefois, un lazer ultra rapide et ultra intense (ULL) avec des pulsations de lumière au quarante-millionnième de seconde (femtoseconde) pourrait changer les traitements contre le cancer.

"The femtosecond laser has now entered the era of applications. It used to be a novelty, a fantasy," said University of Missouri researcher Robert Tzou, the James C. Dowell professor and chairman of the department of Mechanical and Aerospace Engineering. "We are currently targeting the areas of life-science and bio-medicine."

"Le lazer femtoseconde a maintenant investi le champs des applications."

What makes the femtosecond laser different from other lasers is its unique capacity to interact with its target without transferring heat to the area surrounding its mark. The intensity of the power gets the job done while the speed ensures heat does not spread. Results are clean cuts, strong welds and precision destruction of very small targets, such as cancer cells, with no injury to surrounding materials. Tzou hopes that the laser would essentially eliminate the need for harmful chemical therapy used in cancer treatments.

Ce qui rend le lazer femtoseconde différent des autres lazers c'est son unique capacité à interagir avec sa cible sans transferrer de la chaleur à l'environnement. L'intensité du pouvoir fait le travail tandis que la rapidité fait que la chaleur ne se répand pas et ne fait pas de dommage aux alentours. Tzou espère que ce lazer pourra éliminer le besoin d'une chimio pénalisante dans les traitements contre le cancer.

"If we have a way to use the lasers to kill cancer cells without even touching the surrounding healthy cells, that is a tremendous benefit to the patient," Tzou said. "Basically, the patient leaves the clinic immediately after treatment with no side effects or damage. The high precision and high efficiency of the UUL allows for immediate results."

"Si nous pouvions avoir un moyen d'utiliser le lazer pour tuer les cellules cancéreuses sans endommager les cellules saines qui les entourent, ce serait un immense bénifice pour le patient." dit Tzou " Le patient pourrait quitter la clinique immédiatement après le traitement sans effet secondaire et la grande intesité et précision du lazer garantirait les résultats immédiats."

Practical applications of this type of laser also include, but aren't limited to, the ability to create super-clean channels in a silicon chip. That process can allow doctors to analyze blood one cell at a time as cells flow through the channel. The laser can be used in surgery to make more precise incisions that heal faster and cause less collateral tissue damage. In dentistry, the laser can treat tooth decay without harming the rest of the tooth structure.

Associate Professor Yuwen Zhang and Professor Jinn-Kuen Chen recently received a grant from the National Science Foundation to use the laser to "sinter" metal powders--turn them into a solid, yet porous, mass using heat but without massive liquefaction--a process which can help improve the bond between joint implants and bone.

"With the laser, we can melt a very thin strip around titanium micro- and nanoparticles and ultimately control the porosity of the bridge connecting the bone and the alloy," Zhang said. "The procedure allows the particles to bond strongly, conforming to the two different surfaces."

Tzou said the installation of a new laser laboratory at MU will enable research teams to "aggressively pursue success at a national level." The femtosecond laser lab, components of which were installed in January, was made possible through a gift from engineering alumnus Bill Thompson and his wife Nancy. Tzou noted that the arrival of the lab at MU has initiated additional funding requests that will utilize the new femtosecond laser in research. Zhang, Chen and engineering professor Frank Feng also were the recipients of a United States Department of Defense grant to research possible military applications of the UUL.

Tzou said most research with femtosecond lasers, thus far, has focused on engineering materials such as metals and semiconductors. Because of the unique infrastructure at MU, where the college of engineering and the medical school are located on the same campus, Tzou has been able to attract faculty members who have renowned expertise in medicine and laser technology to collaborate.