Techniques d’imagerie acousto-optique en milieux diffusants

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.