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Une nouvelle imagerie médicale combine laser et ultrasons

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De vieilles découvertes en physique peuvent soudainement révolutionner des technologies quand on les combine avec d'autres plus récentes. C'est ce qui est advenu avec l'effet photoacoustique qui, grâce au laser, fournit maintenant une nouvelle technique d'imagerie médicale appelée la tomographie photoacoustique ou PAT.

Ce cerveau de souris a été imagé in vivo, sans agent de contraste, par microscopie photoacoustique (PAM). Les chercheurs ont utilisé l'hémoglobine dans les globules rouges du sang pour fournir le contraste (image de gauche). Les niveaux de saturation en oxygène dans l'hémoglobine dans le même cerveau de souris révèlent les artères et les veines corticales (image de droite). © Junjie Yao et Lihong Wang, WUSTL

2015 est l'année internationale de la lumière. Un bon exemple de l'importance des études portant sur les applications potentielles des technologies basées sur l'interaction matière-lumière peut être donné par une technique d'imagerie médicale originale qui se développe depuis le début du XXIe siècle. Il s'agit de la tomographie photoacoustique (photoacoustic tomography ou PAT en anglais). Elle est notamment développée par une équipe de recherche de l'université Washington de Saint-Louis (États-Unis), déjà connue pour la mise au point d'une nouvelle technologie appelée photoacoustic flowoxigraphy (que l'on pourrait traduire par oxygraphie photoacoustique de flux en français). Cette technique d'imagerie médicale permet de mesurer le taux d'oxygène sanguin dans tous les vaisseaux en temps réel.

Remarquablement, la PAT est une application d'un phénomène découvert au XIXe siècle par Alexander Graham Bell, l'inventeur du téléphone. Il s'agir de l'effet photoacoustique. Tout a commencé en 1880 quand Bell faisait des expériences pour transmettre des messages avec de la lumière recueillie par un récepteur fait de sélénium. L'ingénieur mit en évidence la génération d'ondes sonores sous l'effet de l'absorption de paquets d'ondes lumineuses dans le sélénium qu'elles chauffaient localement. Il montra aussi que le même phénomène se produisait avec d'autres matériaux et pas seulement avec de la lumière visible. Plus tard, John Tyndall et Wilhelm Röntge ont démontré que cet effet photoacoustique existait aussi dans les liquides et les gaz. Il faudra toutefois attendre l'essor de la technologie du laser pour que l'on réalise le potentiel de cet effet en médecine.

Bien que les globules rouges se déplacent très rapidement, l’oxygraphie photoacoustique de flux permet d'observer le flux de globules rouges en temps réel grâce à des impulsions laser. © Lihong Wang, université Washington de Saint-Louis

La tomographie photoacoustique, un complément de l'IRM

De nos jours, on peut considérer l'imagerie basée sur l'effet photoacoustique comme une version améliorée de l'imagerie par échographique, notamment parce qu'elle permet de discriminer chimiquement la matière vivante. Ainsi, en excitant les tissus avec différentes longueurs d'onde, on peut déterminer si des globules rouges contiennent de l'oxygène ou non. Il est aussi possible de faire la différence entre plusieurs acides gras présents dans ces tissus. Les applications les plus intéressantes sont sans doute celles qui permettent de distinguer plus facilement des tumeurs cancéreuses ou des plaques présentant un risque de rupture d'anévrisme.

Comme le dit Lihong Wang de l'université Washington de Saint-Louis, l'un des pionniers de la PAT, ainsi que d'une technique voisine appelée microscopie photoacoustique (PAM), on a combiné de la physique très ancienne avec un concept d'imagerie moderne. Pour faire de la PAT et de la PAM on envoie en effet des faisceaux d'impulsions laser à travers des tissus biologiques. Ces impulsions laser génèrent des ultrasons que l'on peut détecter avec des capteurs adéquats. Un ordinateur et des algorithmes de traitement du signal permettent alors de reconstituer des images à haute résolution, par exemple de l'intérieur d'un cerveau humain en pénétrant à une profondeur d'environ 7 cm dans la boîte crânienne.

Bien que la PAT et la PAM soient encore principalement utilisées dans des expériences de laboratoire, Wang et d'autres chercheurs travaillent sur des applications cliniques, par exemple l'étude de la trajectoire de cellules sanguines dans le cerveau. Les deux techniques sont aussi potentiellement complémentaires de l'IRM et de la tomographie avec PET Scan (Tomographie par émission de positrons ou TEP en français).

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