Imagerie multi-ondes : acousto-optique et photo-acoustique

En associant deux types d’ondes dans un même dispositif d’imagerie, l’une qui donne le contraste, l’autre la résolution, il est possible d’améliorer le contraste tout en ayant une très bonne résolution spatiale. Dans l’imagerie acousto-optique, le marquage de la lumière par les ultrasons permet de voir les propriétés optiques des organes en profondeur. Réciproquement, la méthode photo-acoustique repose sur la détection d’ondes élastiques générées par l’absorption d’une onde lumineuse.

Imagerie acousto-optique

Nous avons développé des méthodes d’imagerie acousto-optique par holographie numérique ou bien en utilisant des milieux photosensibles (holographie par adaptation de front d’onde). Dans le but d’une imagerie in vivo, une amélioration significative a été apportée en utilisant un cristal photoréfractif de SPS (Sn2P2S6), qui possède un fort gain dans la fenêtre optique des milieux biologiques (700-1100nm) et un temps de réponse court (ms). Comme illustration, nous avons mis en évidence des métastases dans une grosse biopsie de foie enfouie dans un gel diffusant de plusieurs cm d’épaisseur, pourtant invisibles par imagerie ultrasonore.

"Multi-modal acousto-optic/ultrasound imaging of ex vivo liver tumors at 790nm using a Sn2 P2 S6 wavefront adaptative holographic setup, J.-B. Laudereau, Benoit a la Guillaume E., Servois V., Mariani P., Grabar A.A., Tanter M, Gennisson J.L., Ramaz F., J. Biophotonics 1–8 (2014)"http://onlinelibrary.wiley.com/doi/...

Nous avons montré la possibilité d’utiliser un milieu à gain pompé fonctionnant à 1064nm (Nd :YVO4), dont le temps de réponse de l’hologramme (50µs) est bien plus court que ceux des cristaux photoréfractifs. Une originalité supplémentaire vient de sa réponse linéaire en modulation de phase, due au décalage spectral entre le laser de mesure et le centre de la raie de fluorescence du cristal. Nous avons ainsi validé des mesures acousto-optiques par mélange à deux et quatre ondes, et démontré le principe d’une imagerie photo-acoustique tout optique (par mélange à deux ondes) dans un milieu diffusant de faible épaisseur.

"Refractive index and gain grating in Nd:YVO4 : application to speckle vibrometry and photoacoustic detection, Baptiste Jayet, Jean-Pierre Huignard, and Francois Ramaz, Opt. Lett. 42, 695-698 (2017)"https://www.osapublishing.org/ol/ab...

Afin d’améliorer le rapport signal à bruit, la résolution axiale (reliée à l’excitation ultrasonore), mais aussi la cadence d’imagerie, nous avons envisagé plusieurs schémas de modulation des ondes ultrasonores : en holographie numérique, de longues séquences (ms) avec bascules aléatoires (0,π) ont apporté un gain significatif par rapport à une excitation ultrasonore en impulsions.

"Acousto-optical coherence tomography with a digital holographic detection scheme, E. Benoit a la Guillaume, S. Farahi, E. Bossy, M. Gross, and F. Ramaz, 3216 Optics Express 37, 15, (2012)"https://www.osapublishing.org/ol/ab...

En s’inspirant de l’imagerie ultra-rapide développée par l’équipe médicale, nous avons utilisé une excitation ultrasonore en ondes planes pour l’imagerie acousto-optique (un brevet a été déposé), ceci permet à RSB équivalent de réduire le temps d’acquisition au moins d’un facteur 20.

"Ultrafast acousto-optic imaging with ultrasonic plane waves, J.-B. Laudereau, A. A. Grabar, M. Tanter, J.-L Gennisson, and F. Ramaz, Optics Express 24, 3774, (2016)"https://www.osapublishing.org/oe/ab...

Photo-acoustique

Depuis 2012, nous avons exploré deux pistes qui nous démarquent de l’équipe leader dans le domaine (Prof. Lihong Wang à Caltech).

Génération photo-acoustique pour le façonnage de front d’onde en optique.
Nous avons exploité l’effet photo-acoustique comme mécanisme d’apprentissage d’une matrice de transmission optique : la génération photo-acoustique, proportionnelle à l’absorption optique et donc à l’intensité optique, fournit en effet un mécanisme non-invasif permettant de mesurer à distance la distribution de lumière à travers un objet optiquement diffusant et acoustiquement transparent. Par analogie avec la technique SOFI en optique qui fournit des images super-résolues en exploitant des fluctuations de fluorescence, nous avons montré qu’une illumination de type speckle pouvait être exploitée pour imager au-delà de la résolution acoustique en tirant parti des fluctuations d’illuminations.

"T Chaigne, O Katz, AC Boccara, M Fink, E Bossy and S Gigan, "Controlling light in scattering media noninvasively using the photo-acoustic transmission-matrix ", Nature Photonics 8, 58-64, (2014)"

"T Chaigne, J Gateau, M Allain, O Katz, S Gigan , A Sentenac and E Bossy, "Super-resolution photoacoustic fluctuation imaging with multiple speckle illumination", Optica, 3(1),54-57, (2016)"

Micro-endoscopie photo-acoustique.
En collaboration avec l’EPFL, nous avons obtenu des images photo-acoustiques à résolution optique grâce à l’utilisation d’une fibre optique multimode combinée à des techniques de façonnage de front d’onde. Nous avons en particulier utilisé un guide multimode original, constitué d’un capillaire de silice, afin de guider la lumière dans le tube de silice et les ultrasons dans le cœur du capillaire.

"O. Simandoux, N. Stasio, J. Gateau, JP. Huignard, C. Moser, D. Psaltis and E. Bossy, "Optical resolution photoacoustic imaging through thick tissue with a thin capillary as a dual optical-in acoustic-out waveguide", Applied Physics Letters, 106(9), 094102, 2015."

Emission photo-acoustique par des nanoparticules d’or.
Nous avons étudié la génération photo-acoustique par des nano sphères d’or, afin de quantifier l’émission non-linéaire associée à la dépendance en température du coefficient d’expansion thermique. En combinant un modèle thermique résolu semi-analytiquement et un problème élastique résolu par différences finies, nous avons en particulier calculé les valeurs d’illuminations à partir desquelles des effets non-linéaires sont attendus. Nous avons montré qu’une couche de silice placée autour de la particule avait pour effet de diminuer la génération photo-acoustique. Ces résultats ont été confrontés à l’expérience montrant l’influence de la nature des absorbeurs (nanoparticules vs. absorbeurs moléculaires) sur les non-linéarités photo-acoustiques.

"A. Prost, F. Poisson and E. Bossy, "Photoacoustic generation by a gold nanosphere : from linear to nonlinear thermoelastics in the long-pulse illumination regime", Physical Review B, 92(11), 115450, (2015)."