Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La détection de petits objets à l’intérieur de milieux diffusants est limitée par le régime de diffusion multiple de la lumière. C’est le cas des milieux biologiques si l’on souhaite une analyse au-delà du millimètre de profondeur.
L’imagerie acousto-optique exploite le couplage entre la lumière et les ultrasons, balistiques et peu atténués dans les milieux biologiques (fréquence ultrasonore < 20 MHz). Il est alors possible d’obtenir une information optique locale guidée par les ultrasons. Cette approche bimodale fournit deux informations complémentaires, à savoir une image échographique et une image optique du milieu.
Cet article introduit les principes de l’imagerie acousto-optique, illustrés par différentes configurations expérimentales qui permettent d’effectuer ce type d’imagerie.
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Optical imaging of scattering media is rapidly limited due to multiple-scattering process. This is the case for e.g. biological tissues for depth larger than the millimeter scale.
Acousto-optic imaging is based on the coupling between light and ultrasound. As the latter are ballistic and merely attenuated in these media (ultrasound frequency < 20MHz), it is possible to obtain a local information, guided by the ultrasound. This bimodal technique provides two complementary information, i.e. an ultrasound and an optical image of the medium.
This article introduces the principle of acousto-optic imaging and exhibits the different experimental configurations to perform this type of imaging.
Auteur(s)
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François RAMAZ : Maître de conférences - Institut Langevin Ondes & Images, ESPCI Paris
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Maïmouna BOCOUM : Chargée de recherches CNRS - Institut Langevin Ondes & Images, ESPCI Paris
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Anne LOUCHET-CHAUVET : Chargée de recherches CNRS - Institut Langevin Ondes & Images, ESPCI Paris
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Jean-Michel TUALLE : Chargé de recherches CNRS - Laboratoire de physique des lasers, CNRS, Villetaneuse, France
INTRODUCTION
L’imagerie acousto-optique est une méthode hybride qui permet de visualiser grâce à la lumière des objets enfouis dans des milieux diffusants épais (> cm), avec des applications, comme en imagerie médicale pour la détection de tumeurs.
Une information optique est pertinente, car elle complète des données obtenues par d’autres techniques d’imagerie médicale en apportant un contraste supplémentaire pour l’aide au diagnostic, comme un métabolisme ou une identification d’espèce.
Un paramètre, jugé important dans de nombreux cas, est le taux de saturation d’oxygène dans le sang, que l’on peut obtenir en effectuant une mesure à plusieurs longueurs d’ondes, compte tenu du fait que l’hémoglobine (Hb) et l’hémoglobine oxygénée (HbO) possèdent des spectres d’absorption différents dans le proche infrarouge. Seulement, le phénomène de diffusion multiple dans ces milieux empêche une imagerie directe bien résolue (c’est-à-dire submillimétrique) dès lors qu’une exploration centimétrique est souhaitée. On peut cependant retrouver une information locale en associant lumière et ultrasons et profiter du caractère balistique de ces derniers pour guider la mesure optique à l’intérieur du milieu en balayant leur position, comme le fait un échographe standard.
Cependant, cette méthode dite « imagerie acousto-optique » ou encore UOT pour « Ultrasound Optical Tomography » est délicate à mettre en œuvre, dans la mesure où les signaux optiques collectés sont faibles. De plus, la lumière sortant de ce type de milieu possède un front d’onde spatial aléatoire (dit « speckle »), ce qui nécessite un traitement adapté.
Nous présenterons, dans un premier temps, le contexte de ce type d’imagerie avec un bref rappel des techniques d’imagerie médicale existantes. Afin d’avoir un panorama le plus large possible, nous décrirons, dans les grandes lignes, les techniques de tomographie optique diffuse et d’imagerie photo-acoustique, qui sont des méthodes concurrentes de l’imagerie acousto-optique.
Nous donnerons ensuite les bases théoriques de l’effet acousto-optique afin de comprendre comment l’on peut accéder à une information optique locale dans le milieu, par sélection des photons, dits « marqués », grâce à des ultrasons. Ces notions nous permettront de comprendre les configurations expérimentales qui sont en cours de développement, à savoir l’interférométrie adaptative avec des cristaux photoréfractifs, l’holographie numérique, ou encore le filtrage spectral des photons marqués par les ultrasons reposant sur le phénomène de creusement spectral.
Un dernier chapitre s’intéressera aux différentes formes d’excitations ultrasonores appliquées dans le milieu, et qui permettent d’améliorer significativement le rapport signal-à-bruit de la mesure.
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MOTS-CLÉS
imagerie Ultrasons effet acousto-optique Holographie numérique milieux diffusants creusement spectral
KEYWORDS
imaging | ultrasound | acousto-optical effect | Digital holography | scattering media | spectral holeburning
DOI (Digital Object Identifier)
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Glossaire5. Conclusions et perspectives
L’imagerie acousto-optique de milieux biologiques à plusieurs centimètres de profondeur est aujourd’hui encore en cours de développement, et il reste beaucoup à faire avant d’obtenir des systèmes aussi avancés que les dispositifs échographiques et IRM. Cela provient de la faible quantité de lumière à analyser, et également de quelques obstacles technologiques non encore pleinement maîtrisés, mais qui vont se résoudre progressivement, avec le développement de sources lasers quasi continues puissantes et très bien définies spectralement, des caméras CMOS plus rapides avec toujours plus de pixels, et bien sûr des traitements de données toujours plus efficaces par GPU.
Comme nous l’avons vu, il existe deux approches possibles pour réaliser la détection et extraire l’information, l’une cohérente (basée sur interférométrie) et l’autre incohérente (basée sur un filtre spectral). Il apparaît utile à l’heure actuelle de poursuivre le développement de ces deux architectures en parallèle. En effet, la solution cohérente a l’avantage de faire appel à des photodétecteurs large bande (caméra, photodiode), potentiellement favorables à des mesures résolues en longueur d’onde. Cependant, les instabilités liées à la propagation de la lumière dans des organismes in vivo peuvent fortement dégrader le signal d’interférences.
À l’inverse, la deuxième approche, qui consiste à mesurer directement un flux, n’est pas affectée pour l’application à l’imagerie in vivo. C’est d’ailleurs avec cette méthode que les premières images acousto-optiques ont été obtenues sur petit animal. Toutefois, les matériaux dopés en terres rares disponibles pour réaliser un filtre spectral dans la fenêtre de transparence biologique sont en nombre restreint, ce qui limite l’exploration spectrale. Ils nécessitent d’être refroidis à 4 °K, mais ceci ne constitue plus à l’heure actuelle un obstacle pratique majeur avec l’apparition de petits cryostats optiques à circulation d’hélium et extrêmement simples d’utilisation « Plug&Play ».
L’exploration des différents modes d’excitation ultrasonore bénéficie à l’ensemble de ces méthodes, cohérentes et incohérentes. Ces modes, qui peuvent prendre des formes très diverses (ondes focalisées, planes ou structurées,...
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Conclusions et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DEFFIEUX (T.) - Palpation par force de radiation ultrasonore et échographie ultrarapide : « Applications à la caractérisation tissulaire in vivo », - Thèse de doctorat université Paris VII (2008). https://theses.hal.science/pastel-00005573/
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(2) - HARMS (F.) - Imagerie des tissus à haute résolution en profondeur par tomographie de cohérence optique plein champ: approches instrumentales et multimodales pour l’application au diagnostic per-opératoire du cancer. - Thèse de doctorat université Pierre et Marie Curie – Paris VI (2015).
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(3) - WANG (X.), PANG (Y.), KU (G.), XIE (X.), STOICA (G.), WANG (L.V.) - Non invasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain, - Nat. Biotech., 21 – 7, juillet 2003.
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(4) - BELL (A.G.) - On the production and reproduction of sound by light, - Am. J. Sci. 20, 35 (1880).
-
(5) - DEBYE (P.), SEARS (F.W.) - On the scattering of light by supersonic waves, - Proc....
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