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Imager un tissu diffusant grâce au creusement spectral

par com.lac - publié le , mis à jour le

Imager un tissu diffusant grâce au creusement spectral

En vue d’une application médicale, l’imagerie optique de milieux biologiques épais (plusieurs cm) se heurte au phénomène de diffusion, qui empêche de localiser des objets de taille millimétrique (par exemple une tumeur dans le sein). Nous localisons l’information optique en appliquant dans le milieu des ultrasons (balistiques dans les milieux biologiques) avec une résolution mm. L’effet acousto-optique qui couple la lumière et les ultrasons fait apparaître de nouvelles fréquences optiques, dont l’amplitude témoigne du flux lumineux qui traverse le champ ultrasonore : on parle de photons « marqués » par les ultrasons. La détection des photons marqués permet alors d’imager le milieu biologique avec la résolution spatiale des ultrasons et la sensibilité de l’optique.


Une méthode de filtrage spectral prometteuse consiste à utiliser le phénomène de « creusement spectral » dans un cristal inorganique refroidi. Les atomes résonnants avec un laser excitateur quittent leur état d’équilibre par pompage optique et n’absorbent plus la lumière issue du laser. Il se crée alors une fenêtre de transparence, ou « trou spectral », dans le profil d’absorption du cristal. C’est ce trou qui sert de filtre pour les photons marqués. Avec sa raie à 793nm, le YAG dopé Tm, bien connu comme milieu à gain pour les lasers, est un choix naturel car il est parfaitement compatible avec la fenêtre de transparence biologique (700-1000nm). Or la courte durée de vie des trous spectraux (10ms) limite la dynamique du filtre ainsi que la cadence d’imagerie.


Lorsqu’il est plongé dans un champ magnétique, l’ion Tm voit tous ses niveaux d’énergie se dédoubler et les trous spectraux peuvent atteindre une durée de vie de plusieurs minutes. Dans une collaboration avec une équipe de l’Institut Langevin, des chercheurs du LAC ont utilisé ce "trou spectral persistant" dans une expérience d’imagerie acousto-optique sur des gels diffusants, ce qui se traduit par une image plus contrastée ainsi qu’une acquisition plus rapide. Ces résultats permettent d’envisager à relativement court terme des tests in-vivo.



Figure : Inclusion absorbante dans un gel diffusant, détectée par imagerie acousto-optique à l’aide d’un trou spectral dans Tm:YAG, sans (gauche) et avec (droite) champ magnétique. Notre méthode permet de gagner un facteur 10 sur le rapport signal-à-bruit, et un facteur 180 sur le temps d’acquisition.


En savoir plus : Ultrasound modulated optical tomography in scattering media : flux filtering based on persistent spectral hole burning in the optical diagnosis window, C. Venet, M. Bocoum, J.-B. Laudereau, T. Chanelière, F. Ramaz, A. Louchet-Chauvet, Opt. Lett. 43, 3993 (2018).


Contact : Anne Louchet-Chauvet (PAMS)