La diffusion optique est un vrai problème pour l'imagerie biologique. En empêchant la lumière de se concentrer profondément dans les tissus biologiques, les effets de diffusion limitent les profondeurs d'imagerie à environ 100 microns, ne produisant que des images floues au-delà. Une nouvelle technique appelée microscopie de compensation optique induite par ultrasons pourrait augmenter cette distance de plus d'un facteur de six, grâce à l'étape quelque peu contre-intuitive d'insertion d'une couche de bulles gazeuses dans la zone en cours d'imagerie. L'ajout de cette couche de bulles garantit que les photons ne dévient pas lorsqu'ils se propagent à travers l'échantillon.
La diffusion optique se produit lorsque la lumière interagit avec des structures plus petites que sa longueur d'onde. La lumière incidente perturbe les électrons dans la structure, formant des moments dipolaires oscillants qui réémettent la lumière dans de nombreuses directions différentes.
"Des techniques telles que la microscopie confocale sont largement utilisées dans la recherche en sciences de la vie telles que le cancer et l'imagerie des tissus cérébraux, mais elles sont limitées en raison de ce problème", explique Jin Ho Chang au DGISTE (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) en Corée. "La limitation de la profondeur d'imagerie est principalement due au fait que les photons incidents sont fortement déviés de leurs directions de propagation d'origine en raison de la diffusion optique. En effet, le nombre de photons non diffusés diminue de manière exponentielle avec la distance parcourue par les photons, de sorte que la lumière ne peut pas être focalisée étroitement après une profondeur d'environ 100 microns.
Bien que les chercheurs aient développé divers types de techniques de mise en forme du front d'onde lumineuse pour remédier à cette limitation, aucune d'entre elles ne peut être utilisée pour prendre des images en trois dimensions. Ces autres techniques nécessitent également des modules optiques performants et des systèmes optiques sophistiqués.
Pas de diffusion optique dans le nuage de bulles
Dans les derniers travaux, Chang et ses collègues ont développé une nouvelle approche dans laquelle ils utilisent des ultrasons à haute intensité pour générer des bulles de gaz dans le volume de tissu situé devant le plan d'imagerie. Pour empêcher les bulles de s'effondrer et d'endommager éventuellement les tissus, les chercheurs ont transmis des ultrasons de faible intensité en continu pendant le processus d'imagerie au microscope à balayage laser, en maintenant un flux continu de bulles tout au long. Ils ont découvert que lorsque la concentration de bulles de gaz dans le volume est supérieure à 90 %, les photons du laser d'imagerie ne subissent pratiquement aucune diffusion optique à l'intérieur de la région des bulles de gaz (surnommée le « nuage de bulles »). En effet, les bulles de gaz temporairement créées réduisent la diffusion optique dans le même sens que la propagation de la lumière incidente, augmentant ainsi sa profondeur de pénétration.
"En conséquence, le laser peut être étroitement focalisé sur le plan d'imagerie, au-delà duquel la microscopie à balayage laser conventionnelle ne peut pas acquérir d'images nettes", explique Chang. Monde de la physique. "Ce phénomène est analogue à la compensation optique basée sur des agents chimiques, nous avons donc nommé notre approche microscopie de compensation optique induite par ultrasons (US-OCM)."
Contrairement aux méthodes de compensation optique conventionnelles, UC-OCM peut localiser la compensation optique dans la région d'intérêt et restaurer les propriétés optiques d'origine dans la région une fois que le flux de bulles est éteint. Cela implique que la technique doit être inoffensive pour les tissus vivants.
Selon les chercheurs, qui détaillent leurs travaux dans Nature Photonics, les principaux avantages de l'US-OCM sont : une augmentation de la profondeur d'imagerie par un facteur de plus de six avec une résolution similaire à celle de la microscopie laser conventionnelle ; acquisition rapide de données d'image et reconstruction d'image (seulement 125 millisecondes sont nécessaires pour une image de trame composée de 403 x 403 pixels) ; et des images 3D faciles à obtenir.
Et ce n'est pas tout : l'équipe souligne que la mise en œuvre de la nouvelle méthode ne nécessite qu'un module acoustique relativement simple (un seul transducteur à ultrasons et un système de commande de transducteur) à ajouter à une configuration de microscopie à balayage laser conventionnelle. La technique pourrait également être étendue à d'autres techniques de microscopie à balayage laser telles que la microscopie multiphotonique et photoacoustique.
Ultrasons et lumière faciles à combiner
« Je crois personnellement que le développement de la technologie hybride est l'une des nouvelles directions de recherche, et les ultrasons et la lumière sont relativement faciles à combiner pour maximiser leurs avantages tout en se complétant les inconvénients », dit Chang. "Les chercheurs travaillant dans le domaine des ultrasons savent depuis longtemps que les ultrasons puissants peuvent créer des bulles de gaz dans les tissus biologiques et qu'elles peuvent disparaître complètement sans endommager les tissus."
La diffusion Kerker localise les particules avec une précision subatomique
L'idée de l'expérience est née lors de discussions avec Jae Youn Hwang, membre de l'équipe, spécialiste de l'optique à la DGIST. L'idée était que les bulles de gaz induites par les ultrasons pourraient être utilisées comme agent de compensation optique si elles pouvaient en quelque sorte créer des bulles denses dans la zone d'intérêt. "La compensation optique conventionnelle repose sur le fait que la diffusion optique est minimale lorsque les indices de réfraction des diffuseurs de lumière dans les tissus sont similaires les uns aux autres", explique Chang. "Des agents chimiques sont utilisés pour réduire l'indice de réfraction élevé des diffuseurs afin qu'il se rapproche de celui du tissu lui-même."
Selon l'équipe de la DGIST, la technique pourrait être utilisée pour l'imagerie à haute résolution des tissus cérébraux, le diagnostic précoce de la maladie d'Alzheimer et le diagnostic précis des tissus cancéreux en combinaison avec la technologie des endoscopes. "Je pense également que le concept de base de cette étude peut être appliqué aux thérapies optiques, telles que les thérapies photothermiques et photodynamiques, pour améliorer leur efficacité, car elles souffrent également d'une pénétration limitée de la lumière", déclare Chang.
