Des chercheurs de l’Institut Langevin et de l’Université Technique de Vienne viennent de proposer un nouvel opérateur en physique des ondes dédié à l’imagerie quantitative des milieux complexes. Cet opérateur permet notamment de détecter, localiser et caractériser des cibles jusque-là invisibles car enfouies dans des milieux particulièrement diffusants. Parus dans Nature Physics, ces travaux offrent de nombreuses solutions pour surmonter les limitations traditionnelles en imagerie avec des applications qui vont de l’échographie à l’OCT dans le domaine bio-médical, des technologies radar au sonar dans le domaine militaire, en passant par le contrôle non destructif pour l’industrie.
En imagerie, on sonde le milieu avec une onde et on établit une image du milieu à partir des échos induits par ses hétérogénéités. Ce principe d’écho-location n’est toutefois valable que si l’onde incidente n’est diffusée qu’une seule fois par chaque réflecteur. A grande profondeur ou dans les milieux fortement hétérogènes, cette hypothèse n’est plus valable car l’onde incidente a une grande probabilité d’être diffusée successivement par plusieurs diffuseurs avant de revenir vers l’imageur. Ce phénomène de diffusion multiple se manifeste par un brouillard intense et constitue une limite fondamentale en imagerie.
Pour pallier à ce problème, les chercheurs ont mis au point une approche reposant sur l’acquisition de la matrice de réponse entre chaque capteur d’un imageur multi-élément. En présence de la seule cible, cette matrice de réflexion constitue l’empreinte digitale de cette dernière. En présence d’un milieu complexe entourant ladite cible, cette matrice contient toujours toute l’information disponible sur la cible mais celle-ci est noyée dans un brut de diffusion multiple prédominant. En exploitant les corrélations entre la matrice de réflexion mesurée et l’empreinte matricielle de la cible, on peut extraire les ondes associées à la cible ayant survécu au désordre. La cible peut alors être détectée et localisée avec une précision sub-longueur d’onde en dépit de l’épais brouillard qui l’entoure. Mieux, à partir du concept d’empreinte matricielle, on peut également déterminer sa taille, sa forme ainsi que sa composition, ouvrant la voie à une imagerie quantitative multimodale tout à fait innovante avec une multiplicité de contrastes à la clef.
Pour démontrer la généralité du concept, les chercheurs ont réalisé plusieurs expériences dans le domaine ultrasonore. Une première expérience a consisté à détecter et localiser des sphères d’acier enfouies dans un sable mouvant particulièrement diffusant (cf Figure). Une deuxième expérience a démontré l’intérêt de cette approche pour l’imagerie médicale avec la détection de marqueurs de lésion utilisés couramment pour contrôler la résurgence du cancer du sein. Enfin, une troisième expérience a montré comment le concept d’empreinte matricielle pouvait permettre l’imagerie quantitative des tissus en révélant, par exemple, l’architecture des fibres musculaires, une observable particulièrement pertinente pour le diagnostic des maladies cardiaques et des myopathies.
Le concept d’empreinte matricielle est général et flexible. Il ouvre d’importantes perspectives dans tous les domaines de la physique des ondes pour lesquels la technologie multi-élément permet d’accéder à une mesure de la matrice de réflexion. Appliqué à des cibles dont la réponse dépend du milieu environnant, elle permettra, en outre, de mesurer localement des paramètres physiques intensifs tels que la température et la pression, quantités généralement inaccessibles à distance.
Preuve de concept de l’empreinte matricielle pour la détection et la localisation de cibles enfouies dans un brouillard de diffuseurs.
a Configuration expérimentale : Une sonde ultrasonore est utilisée pour enregistrer la matrice de réflexion associée à un suspension granulaire de billes de verres très diffusante dans lequel sont enfouies deux sphères métalliques. b L’ image échographique construite à partir de cette matrice fait apparaître la surface du granulaire mais ne met pas en évidence les deux sphères enfouies du fait du fort bruit de diffusion multiple produit par la suspension de billes de verre. c La corrélation de la matrice de réflexion avec l’empreinte matricielle de chaque sphère permet de révéler la présence de ces dernières de manière quasi-certaine. La probabilité de présence de chaque sphère est encodée avec une échelle de couleur rouge pour un diamètre de 10 mm et une échelle de couleur verte pour un diamètre de 8 mm. Crédit image : Arthur Le Ber
Référence :
Detection and characterization of targets in complex media using fingerprint matrices
A. Le Ber, A. Goïcoechea, L. Rachbauer, W. Lambert, X. Jia, M. Fink, A. Tourin, S. Rotter and A. Aubry.
Nature Physics (2025).
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