Bibliographie & annexes
Présentation
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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Techniques d’imagerie acousto-optique2. Imagerie optique dans les milieux diffusants
2.1 Tomographie optique diffuse (TOD)
Un objet (par exemple une tumeur) est caractérisé par ses coefficients d’absorption (α), et de diffusion (µ) – tous deux exprimés en cm–1 – qui contiennent respectivement des informations sur les constituants et sur la structure. Ces paramètres sont généralement différents du milieu environnant, d’où la possibilité de détecter un contraste.
La TOD consiste à placer un réseau de sources lasers/détecteurs autour du milieu, les lasers pouvant être utilisés en mode impulsionnel ou continu (figure 3). On enregistre alors un flux lumineux issu des différents couples d’émission/réception de la lumière, et il faut résoudre un problème inverse de propagation de la lumière dans le milieu avec des paramètres locaux d’absorption et de diffusion, tout en considérant une équation de transfert radiatif (ETR) ou, plus simplement, une équation de diffusion lorsque les distances deviennent supérieures à quelques l *.
Dans cette technique d’imagerie purement optique, la mesure d’un flux lumineux a l’avantage d’être peu dépendante des différentes fluctuations temporelles in vivo (flux sanguin, respiration, mouvement brownien), qui perturbent la phase de l’onde lumineuse. Ce sont des méthodes statistiques de type Monte-Carlo qui sont généralement utilisées pour résoudre ces problèmes ETR [AF 600], elles nécessitent d’importantes ressources numériques. Compte tenu d’une collection de flux lumineux relativement importants, la TOD permet d’explorer le milieu à des profondeurs de plusieurs centimètres, mais la résolution spatiale est généralement modeste, de quelques millimètres dans le meilleur des cas.
HAUT DE PAGE2.2 Imagerie photo-acoustique
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Imagerie optique dans les milieux diffusants
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).
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(5) - DEBYE (P.), SEARS (F.W.) - On the scattering of light by supersonic waves, - Proc....
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