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.
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[EN VIDÉO] Kézako : le laser, une incroyable histoire de physique quantique Le laser est né durant les années 1960, depuis il est petit à petit devenu incontournable dans beaucoup d’applications. Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent durant cet épisode de Kézako le fonctionnement de cette invention révolutionnaire.

2015 est l'année internationale de la lumière. Un bon exemple de l'importance des études portant sur les applicationsapplications 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 tomographietomographie 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'oxygèneoxygène sanguin dans tous les vaisseaux en temps réel.

Remarquablement, la PAT est une application d'un phénomène découvert au XIXe siècle par Alexander Graham BellAlexander 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 lumièrelumière recueillie par un récepteur fait de séléniumsélénium. L'ingénieur mit en évidence la génération d'ondes sonoresondes sonores sous l'effet de l'absorptionabsorption de paquetspaquets 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 liquidesliquides et les gazgaz. 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 matièrematière vivante. Ainsi, en excitant les tissus avec différentes longueurs d'ondelongueurs d'onde, on peut déterminer si des globules rougesglobules rouges contiennent de l'oxygène ou non. Il est aussi possible de faire la différence entre plusieurs acides grasacides gras présents dans ces tissus. Les applications les plus intéressantes sont sans doute celles qui permettent de distinguer plus facilement des tumeurstumeurs 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 physiquephysique 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 laserlaser à travers des tissus biologiques. Ces impulsions laser génèrent des ultrasonsultrasons que l'on peut détecter avec des capteurscapteurs adéquats. Un ordinateurordinateur et des algorithmes de traitement du signal permettent alors de reconstituer des images à haute résolutionrésolution, par exemple de l'intérieur d'un cerveaucerveau humain en pénétrant à une profondeur d'environ 7 cm dans la boîte crânienneboîte 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 émissionémission de positronspositrons ou TEPTEP en français).