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IMAGERIE PHOTOACOUSTIQUE SUPER-RESOLUE PAR CAVITATION

publié le

Le domaine de la microscopie optique a bénéficié de récents développements pour atteindre des résolutions de l’ordre de la dizaine de nanomètres. Ces techniques, nommées Photo-activated localization microscopy (PALM) ou Stochastic optical reconstruction microscopy (STORM) sont basées sur la génération d’évènements de fluorescence isolés qui permettent de localiser précisément des zones isolées qui fluorescent successivement. L’accumulation des positions fournit alors une image super-résolue dont le contraste représente la concentration en molécules fluorophores. Nous proposons d’appliquer ces principes au domaine de l’imagerie photoacoustique (PA).

Dans cette technique, une impulsion de lumière très courte est envoyée dans un tissu. Alors que la lumière diffuse dans le tissu, ce qui rend impossible toute image optique, celle-ci est absorbée par des structures spécifiques du tissu. L’absorption de lumière génère une élévation de température qui est à l’origine d’un phénomène d’expansion thermique générant des ultrasons. Contrairement à la lumière, les ultrasons sont faiblement diffusés dans les tissus biologiques et peuvent être captés à la surface du tissu sans perte d’information. En définitive, l’imagerie PA fournit une image à contraste optique en profondeur dans les tissus. La résolution de l’image PA (typiquement 100 μm) est limitée par la diffraction acoustique.

Pour briser la limite de diffraction, notre groupe a récemment exploité la notion de fluctuation, en terme d’illumination [1] ou en terme de milieu absorbant [2] pour imager des flux sanguins. Ces flux ont aussi été imagés grâce à la localisation d’absorbeurs uniques [3], s’écoulant dans des vaisseaux. La méthode de localisation donne une meilleure résolution mais nécessite toutefois une concentration d’absorbeurs limitée. La détectabilité d’absorbeurs uniques est alors conditionnée par la nature des absorbeurs et par une intensité lumineuse suffisante. Nous proposons ici de s’affranchir de ces limites en invoquant une transition de phase de liquide vers gaz.

Il est possible de générer des bulles de gaz microscopiques autour d’absorbeurs optiques nanométriques à l’aide de la combinaison de lumière et d’ultrasons. Le
signal émis par la bulle est spécifique à la présence d’agents de contraste et son
amplitude est typiquement 100 fois plus élevée qu’un signal PA. Au cours de ce stage, l’étudiant concevra des milieux modèles à base de gels et identifiera les paramètres d’exposition adéquats (intensité de lumière, pression acoustique) pour l’observation stochastique d’évènements de cavitation permettant leur localisation, la condition étant qu’il n’y ait qu’une bulle générée par tâche focale acoustique.

L’étudiant se familiarisera avec les lasers et l’instrumentation optique, les échographes programmables et les nanoparticules. Un goût pour la programmation et le traitement de signal (MATLAB) est souhaité.

Le stage pourra être poursuivi par un travail de thèse, financée dans le cadre du projet ERC COHERENCE.

Références :
[1] Chaigne, T., Gateau, J., Allain, M., Katz, O., Gigan, S., Sentenac, A & Bossy, “Super -resolution photoacoustic fluctuation imaging with multiple speckle illumination,” Optica, vol. 3, no. 1, p. 54, Jan. 2016.
https://arxiv.org/pdf/1508.01305.pdf

[2] T. Chaigne*, B. Arnal*, S. Vilov, E. Bossy, and O. Katz, “Super-resolution photoacoustic imaging via flow induced absorption fluctuations,” Optica, 2017, in press, https://arxiv.org/pdf/1705.10411

[3] S. Vilov, B. Arnal, and E. Bossy, “Overcoming the acoustic diffraction limit in photoacoustic imaging by localization of flowing absorbers,” Optics Letters, in press, 2017, https://arxiv.org/abs/1707.07358

Contact :

Emmanuel Bossy : emmanuel.bossy@univ-grenoble-alpes.fr
Bastien Arnal : bastien.arnal@univ-grenoble-alpes.fr
Laboratoire Interdisciplinaire de Physique, Université Grenoble Alpes

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