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Études de cas / Une caméra rétinienne à main et peu coûteuse pour le dépistage chez les prématurés dans les milieux aux ressources limitées
ÉTUDE DE CAS :
Par Teo Kakabadze, Samer Marmash, Clin Vadakkal Shaiju et Alisha Sankhe
Équipe Retinex, Université Rice | [email protected]
Tendance d'avenir : le dépistage évolutif.
Chaque année, environ 15 millions de bébés naissent prématurément. Grâce à l'amélioration des soins néonatals à l'échelle mondiale, de plus en plus de bébés survivent, en particulier dans les régions où leurs chances de survie étaient auparavant limitées. En conséquence, la rétinopathie du prématuré (ROP), une maladie autrefois rare en dehors des pays développés, est aujourd’hui devenue l’une des principales causes de cécité infantile dans le monde. La ROP est due à une croissance anormale des vaisseaux sanguins au niveau de la rétine d'un prématuré. Dans les cas graves, ces vaisseaux peuvent exercer une traction sur la rétine et provoquer son décollement, entraînant une cécité définitive. Cette affection peut être traitée par thérapie au laser, mais uniquement si elle est détectée à temps, généralement dans les quelques semaines de la période critique de développement. À partir de là, les dégâts sont irréversibles.
Au Kenya, une étude menée en milieu hospitalier a révélé que 41,7% des prématurés soumis à un dépistage présentaient une ROP1 – une prévalence comparable à celle observée dans les pays riches, alors que les infrastructures nécessaires à ce dépistage y sont pratiquement inexistantes. Des chercheurs spécialisés dans l'Afrique subsaharienne ont mis en garde contre une véritable épidémie de ROP au cours de cette décennie.2 Le problème ne réside pas dans le manque de sensibilisation. C'est une question d'accès. Le développement de notre caméra rétinienne à main « Retinex » vise à faire sortir le dépistage rétinien des centres hospitaliers universitaires ou régionaux spécialisés pour l'amener au chevet des nouveau-nés, permettant ainsi une intervention plus précoce dans les régions où les ophtalmologues et les systèmes d'imagerie rétinienne font défaut. Les outils standard utilisés pour le dépistage de la ROP – des caméras rétiniennes à grand champ comme la RetCam – coûtent plus de 125 000 dollars3. Leur utilisation nécessite des ophtalmologues qualifiés, et le Kenya en compte environ 115 pour une population de plus de 55 millions4, dont plus de la moitié sont basés à Nairobi. En dehors de la capitale, l'accès à des soins ophtalmologiques spécialisés est extrêmement limité. Même lorsque le matériel est disponible, il est partagé : les hôpitaux qui disposent de caméras rétiniennes se partagent souvent un seul appareil entre plusieurs établissements. L'ophtalmoscopie indirecte, deuxième méthode de référence pour le dépistage de la ROP, nécessite des compétences pratiques spécialisées qui sont encore plus difficiles à trouver. Dans la grande majorité des unités de soins intensifs néonatals au Kenya, ainsi que dans de nombreux pays similaires, la rétinopathie du prématuré (ROP) n'est pas dépistée et de nombreux prématurés risquent de ne jamais bénéficier d'un dépistage rétinien avant que ne survienne une perte irréversible de la vue. En permettant aux infirmières de réaliser des examens d'imagerie au chevet des patients, la Retinex pourrait contribuer à combler une lacune majeure en matière d'accès aux soins de santé et à améliorer les résultats à long terme pour les nourrissons vulnérables vivant dans des régions mal desservies.
Conception d'un dispositif de dépistage rétinien portatif, pouvant être utilisé par le personnel infirmier, destiné aux hôpitaux disposant de ressources limitées.
La mission de l'équipe Retinex est de concevoir un dispositif de dépistage rétinien de la ROP, à faible coût, à main, portatif, adapté aux hôpitaux disposant de ressources limitées : un dispositif que les infirmières puissent utiliser sans formation spécialisée, dont le prix soit inférieur à 500 dollars et qui soit suffisamment compact pour être transporté et utilisé au chevet du patient.
Ce projet est mené à l'université Rice dans le cadre du cours de conception technique EDES 200 et s'inscrit dans la continuité des travaux entamés par une équipe d'étudiants précédente (IRIS). L'équipe actuelle, composée de deux étudiants de première année et de deux étudiants de deuxième année, a construit ce semestre le premier prototype fonctionnel, en utilisant des composants disponibles standards et en maintenant le coût total de fabrication en dessous de 200 dollars.
L'imagerie rétinienne néonatale se heurte simultanément à plusieurs contraintes techniques complexes : la petite taille de la pupille du nourrisson, les reflets cornéens, les limites de sécurité thermique, les distances de travail courtes, les mouvements du patient pendant l'examen, les exigences en matière de portabilité, ainsi que la nécessité de pouvoir être utilisée par des non-spécialistes dans des contextes où les ressources sont limitées. L'architecture de l'appareil a été conçue pour trouver un équilibre entre la qualité d'imagerie, la sécurité, la facilité d'utilisation et un coût de fabrication réduit, tout en respectant ces contraintes.
Notre solution consiste en un appareil d'imagerie cylindrique portatif, composé de quatre sous-systèmes principaux : l'éclairage, le grossissement, la capture et le contrôle. Cette conception permet de conserver un facteur de forme compact et un nombre réduit de composants, tout en répondant aux contraintes spécifiques de l'imagerie rétinienne néonatale. Cette tâche exige une qualité d'image élevée, une exposition à la lumière sans danger et une grande facilité d'utilisation en milieu clinique.
L'éclairage de la rétine d'un prématuré implique un ensemble de contraintes contradictoires. Il faut suffisamment de lumière pour obtenir une image à travers la pupille d'un nourrisson et distinguer les détails vasculaires fins situés au fond de l'œil. Il est inadmissible de placer une source lumineuse dégageant de la chaleur près du visage du nourrisson. Et les réflexions spéculaires provenant de la cornée ou du cristallin, s'ils ne sont pas maîtrisés, masqueront justement les structures que vous essayez de voir.
Le système d'éclairage du dispositif utilise une LED chaude à haut rendement comme source lumineuse. La lumière est acheminée vers la tête d'imagerie via un guide de lumière à fibre optique, offert généreusement par Edmund Optics®. Le câble à fibre optique sépare physiquement la LED, source de chaleur, de la face avant du dispositif, ce qui permet de maintenir l'extrémité diffusant la lumière à une température modérée près du visage du nourrisson. Au niveau de la tête d'imagerie, la lumière pénètre dans le chemin optique via un dispositif coaxial aligné sur l'axe d'imagerie, ce qui élimine en grande partie les réflexions au niveau de la cornée et du cristallin qui, sans cela, dégraderaient le contraste de l'image. Un système de contrôle de la luminosité par modulation de la largeur d'impulsion (PWM) est en cours d'intégration dans la conception afin de permettre un réglage précis de l'intensité lumineuse ; une pédale de commande mains libres, destinée à être utilisée pendant l'imagerie, est actuellement en cours de développement.
Le guide de lumière à fibre optique d'Edmund Optics a été un composant essentiel à la réalisation de notre dispositif. Une transmission par fibre optique de cette qualité et avec un tel diamètre de cœur rend la conception coaxiale pratique et peu coûteuse : elle offre un débit optique suffisant pour assurer un éclairage efficace de la pupille tout en conservant un ensemble global compact. Sans cela, pour parvenir à la fois à une séparation thermique sûre et à un éclairage axial efficace, il faudrait soit une conception optique nettement plus complexe, soit un dispositif beaucoup plus grand.
Une lentille ophtalmique de 28 dioptries située à l'avant du dispositif produit une image agrandie et réelle de la rétine. Il s'agit du même type de lentille que celui utilisé en ophtalmoscopie indirecte standard ; elle a été choisie car elle offre un champ de vision supérieur à 60° tout en s'intégrant dans la géométrie compacte du dispositif. L'obtention d'un champ de vision complet supérieur à 120°, nécessaire à un diagnostic complet de la ROP, constitue un objectif clé pour les prochaines versions ; le plan actuel consiste à recourir à l'assemblage d'images à partir de plusieurs prises de vue qui se chevauchent afin d'atteindre cette couverture.
La caméra Arducam OwlSight 64 MP, dotée d'un autofocus motorisé et d'un réglage de l'exposition, assure la capture des images. Le nombre élevé de pixels est essentiel dans cette application, car la détection des modifications vasculaires caractéristiques de la ROP précoce, telles que la dilatation, la tortuosité et la formation de crêtes des vaisseaux, nécessite de distinguer les détails rétiniens les plus fins, que des capteurs à plus faible résolution ne pourraient pas détecter, en particulier aux niveaux de grossissement utilisés.
Un Raspberry Pi Zero 2W gère tous les sous-systèmes du dispositif : l'exposition et la mise au point de la caméra, la luminosité des LED et la communication USB avec l'application Retinex Screening. L'application propose un flux vidéo en direct pour le cadrage, la prise de photos d'un simple clic, une galerie d'images organisée et la gestion des données des patients. La prise en charge multilingue est intégrée, car le dispositif est destiné à être déployé dans différents environnements de soins de santé. L'interface est conçue pour pouvoir être utilisée par des infirmières n'ayant aucune expérience en imagerie médicale, après une brève formation.
Lors d'essais réalisés avec une mire de résolution USAF 1951, le prototype a atteint une résolution de 35,9 paires de lignes par millimètre. Bien que la norme ISO 15004-2 relative à l’instrumentation d’imagerie ophtalmique spécifie un seuil de 60 lp/mm, la résolution obtenue devrait être suffisante pour détecter la dilatation et la tortuosité vasculaires caractéristiques de la « maladie plus » dans la zone I. En tant que région rétinienne la plus interne et siège des formes les plus graves de ROP, la Zone I présente le risque le plus élevé de perte de vision et constitue la cible la plus critique pour un diagnostic précoce. Le champ de vision de 60 à 80° du prototype, obtenu à partir d'une seule image statique, est suffisant pour couvrir cette région, ce qui permet de détecter les cas de ROP les plus urgents sur le plan clinique. La couverture rétinienne complète à 120°, nécessaire à une stadification complète de la maladie, sera obtenue grâce à l'assemblage d'images (stitching) dans une prochaine version. Le fait d’avoir atteint ce niveau de capacité diagnostique cliniquement pertinent avec un prototype réalisé au cours du premier semestre pour moins de 200 dollars constitue une base solide pour la poursuite du développement et l’amélioration des performances.
Le projet se poursuivra grâce aux futures équipes d'étudiants en conception de l'université Rice, la prochaine phase visant à faire évoluer le système d'un prototype d'ingénierie fonctionnel vers une plateforme de dépistage rétinien pouvant être déployée en milieu clinique.
Nous remercions notre sponsor, Harrell Huff, ainsi que l'Oshman Engineering Design Kitchen de l'université Rice pour les ressources et le soutien qu'ils nous ont apportés tout au long de ce projet. Nous tenons à remercier Edmund Optics pour son généreux don de composants, le Dr Emmanuel Chang pour ses conseils cliniques concernant la conception, l'équipe EDES 120 (IRIS) pour le travail qui a servi de base à ce projet, ainsi que nos mentors universitaires, le Dr Oden, le Dr Hunter et le Dr Ghosn.
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