Développement d'une méthode d'imagerie utilisant la spectroscopie Raman spatialement décalée afin de détecter la signature moléculaire de tissus biologiques

Le diagnostic précoce du cancer est un enjeu de grande importance, car il permet d’augmenter significativement les chances de survie des patients. Si la tumeur ne s’est pas encore répandue dans l’organisme, alors l’opération chirurgicale d’excision de la tumeur est le traitement le plus efficace. Cependant, le chirurgien doit pouvoir identifier les zones touchées par le cancer et l’inspection visuelle n’est pas toujours suffisante. La spectroscopie Raman est une technique de détection moléculaire spécifique reposant sur la diffusion inélastique des photons dans les tissus biologiques. Des algorithmes de classification des tissus sains et cancéreux développés à partir de signal Raman ont montré leur efficacité pour des systèmes d’illumination à point unique. Cependant, ces modèles de classification n’ont jamais été testés pour un système de spectroscopie Raman à balayage linéaire. Un protocole d’imagerie d’échantillons issus de cancers du sein et du cerveau a alors été développé, dans le but de vérifier l’efficacité des modèles préalablement entraînés. La densité cellulaire des échantillons est aussi un indicateur de l’état du tissu. Un algorithme de calcul de la densité cellulaire à partir des coupes histologiques des échantillons de tumeurs cérébrales a été créé afin de différencier les zones nécrosées, cancéreuses et saines des échantillons. Le signal Raman mesuré est un signal de surface, et les tissus cancéreux peuvent se situer en dessous d’un autre type de tissu biologique, alors indétectables par la spectroscopie Raman conventionnelle et non visibles par le chirurgien. Une technique de spectroscopie Raman pour la détection en profondeur a alors été développée, en créant un décalage spatial entre le site d’illumination du laser et le site de mesure du signal Raman. La diffusion des photons dans les tissus biologiques permet de mesurer les photons Raman émis par des couches plus profondes à une distance latérale spécifique par rapport au point d’illumination laser. Le système de spectroscopie Raman à balayage linéaire a la capacité de désynchroniser les sites d’illumination et de mesure, permettant l’usage de la spectroscopie Raman décalée spatialement. Un groupe de 60 fantômes optiques solides à deux couches (PDMS/Nylon) a été réalisé, avec différentes variations d’absorption et de diffusion de la couche supérieure. Une expérience de spectroscopie Raman décalée spatialement effectuée avec des tissus biologiques a aussi été réalisée comme preuve de concept. Le système a été capable de détecter un signal Raman jusqu’à 3 mm de profondeur en fonction des propriétés optiques de la couche supérieure des fantômes optiques, et jusqu’à 10 mm pour la preuve de concept.

Abstract

Early diagnosis of cancer is an issue of great importance because it allows to significantly increase the chances of survival of patients. If the tumour has not yet spread into the body, then surgical removal of the tumour is the most effective treatment. However, the surgeon must be able to identify areas affected by cancer, and visual inspection is not always sufficient. Raman spectroscopy is a specific molecular detection technique based on the inelastic diffusion of photons in biological tissues. Algorithms for the classification of healthy and cancerous tissues developed from Raman signals have shown their effectiveness for single point illumination systems. However, these classification models have never been tested for a line-scanning Raman spectroscopy system. An imaging protocol of samples from breast and brain cancer was then developed, in order to verify the effectiveness of previously trained models. The cell density of samples is also an indicator of tissue conditions. An algorithm for calculating cell density from histological sections of brain tumour samples was created to differentiate necrotic, cancerous and healthy areas in the samples. The measured Raman signal is a surface signal, and the cancerous tissue may be below another type of biological tissue, then undetectable by conventional Raman spectroscopy, and not visible to the surgeon. A Raman spectroscopy technique for deep sensing was developed, creating a spatial shift between the laser illumination site and the Raman signal measurement site. The phenomenon of photon scattering in biological tissues makes it possible to measure Raman photons coming from deeper layers at a certain lateral distance from the laser illumination site. The line-scanning Raman spectroscopy system has the ability to de-synchronize illumination and measurement sites, allowing the use of spatially offset Raman spectroscopy. A group of 60 two-layer solid optical phantoms (PDMS/Nylon) was realized, with different variations in absorption and diffusion of the upper layer. A spatially offset Raman spectroscopy experiment with biological tissues was also performed as proof of concept. The system was able to detect Raman signal up to 3 mm depth depending on the optical properties of the upper layer in optical phantoms, and up to 10 mm in the proof of concept.