Couplage d`ondes acoustiques et optiques pour l`imagerie médicale

Couplage d'ondes acoustiques et optiques pour l'imagerie médicale
par Emmanuel Bossy
Compte rendu de séminaire du 24 mars 2009
Stéphane Perrard
Les méthodes d'imagerie médicale classiques développées au cours des 20 dernières années
permettent maintenant de sonder les corps humains vivants par différents méthodes (radiographie,
echographie). Elles se basent sur les variations de propriétés acoustiques ou optiques au sein des
tissus : On envoie une onde, qui va se réfléchir sur les différents composants du corps humains. La
figure de réflexion ainsi obtenue peut ensuite être étudiée. Elle nous renseigne sur les differents
types d'éléments traversés par l'onde. Après une brève présentation des deux méthodes classiques
d'imagerie, nous présenteront deux méthodes d'imagerie basées sur le couplage d'ondes acoustiques
et optiques.
Table des matières
I/ Méthodes classiques d'imagerie........................................................................................................2
Imagerie optique pour les tissus.......................................................................................................2
Imagerie acoustique.........................................................................................................................2
II/ Couplage d'ondes acoustiques et optiques.......................................................................................3
Principe d'imagerie par couplage d'ondes........................................................................................3
Imagerie acousto-optique.................................................................................................................5
Echographie passive........................................................................................................................6
III/ Retournement temporel acoustique pour la destruction de tumeur................................................6
Application d'une technique d'échographie passive........................................................................6
Retournement temporel acoustique.................................................................................................6
Conclusion............................................................................................................................................7

I/ Méthodes classiques d'imagerie
Imagerie optique pour les tissus
L'analyse par onde acoustique des tissus ne permet pas en général de déceler des tumeurs ou
autre pathologies. En effet elles présentent souvent des différences de couleurs, mais pas forcément
de densité, ou de compressibilité, paramètres pertinents pour la réflexion d'ondes acoustiques.
L'analyse des tissus par onde électromagnétique se révèlent donc plus pertinente que l'échographie
classique. Si ces pathologies présententes des caractéristiques optiques différentes, on peut mettre
en évidence une corrélation entre image obtenue et pathologie.
Caractéristique optiques des tissus
Les tissus sont caractérisés par un coefficient d'absorbtion dépendant fortement de la
longueur d'onde, avec un pic de transmission en lumière rouge. A ces longueurs d'onde, la lumière
est peu absorbé (distance caractéristique parcourue avant absorption de l'ordre de 10cm), mais
diffuse énormément : la rayon d'un laser passant à travers la joue formera une tâche d'environ 5cm
de diamètre !
Ce grand pouvoir de diffusion des tissus est dû à une forte hétérogénéité des indices de
réfractions au sein du milieu. Un photon sera ainsi absorbé puis réémis très fréquemment au sein du
corps humain : pour de la lumière rouge, le libre parcours moyen de la lumière, défini comme la
distance moyenne entre deux réémissions est de 100 µm.
Ainsi, un faisceau incident directionnel diffuse de manière isotrope après un millimètre de
parcours. Au delà, les particules n'ont plus de mémoires de direction.
Pour illustrer ces propriétés optiques, l'équipe a réaliser une simulation numérique de la
propagation d'un faisceau lumineux à travers une boîte cranienne. La lumière se propage à
l'ensemble de la boîte crânienne en moins de 5ns.
Imagerie acoustique
En imagerie acoustique, on envoie une onde sonore dans le corps, qui est réfléchit
inégalement par les différents éléments du corps. L'analyse de la figure de réflexion renseigne sur
les variations du module de compression donné par :
z=
Ainsi, ce genre de méthode permet de déceler d'une part les variations de densité, et d'autre
part les variations de compressibilité.
Cependant, l'imagerie acoustique présente un certain nombre de limite inhérente à
l'utilisation d'onde sonores. En effet, seul les tissus mous peuvent ainsi être étudié. Les os,
cartilages, calculs réneaux et autres éléments durs du corps humains ne peuvent pas être sondés par
ce genre de méthode. De plus, la dureté apparente des tumeurs que l'on peut palper (présence de
boule dure) est la plupart du temps dû à des variations du module de cisaillement et non de
compression. L'imagerie acoustique n'étant sensible qu'au module de compression, ce genre de
tumeur est donc indétectable (cancer du sein par exemple). Enfin, on suppose en imagerie
acoustique que la vitesse du son est constante au sein de tous les éléments traversés. Si cette
approximation convient bien pour les muscles, et les différents liquides du corps, elle s'avère fausse
dans la graisse. Les méthodes acoustiques de détection peuvent donc s'avérer inadaptées pour
certains individus.

II/ Couplage d'ondes acoustiques et optiques
L'utilisation simultanée des deux types d'onde permet de palier certain défaut des méthodes
précédentes. Plusieurs méthodes d'imagerie basées sur ce couplage ont été développées ces
dernières années, nous nous proposons ici d'en exposer deux en particulier : l'imagerie photo-
acoustique, et acousto-optique.
Principe d'imagerie par couplage d'ondes
Le principe de la méthode est de moduler une onde électromagnétique par des ultrasons :
l'analyse des différentes fréquences obtenues, permettra de remonter aux propriétés photo-
acoustique de la zone de coexistence des 2 ondes.
Pour cela, on envoie un laser en lumière rouge sur les tissus à étudier : les photons sont
absorbés puis réemis à des fréquences caractéristiques des matériaux traversés. La lumière
transmise forme ainsi une figure d'interférence très bruitée appelé speckle. Une analyse fréquentielle
donne enfin des informations sur la nature des matériaux traversés, avec un pic à une fréquence
donnée pour un solide, et un spectre continu pour les liquides.
Simultanément, on envoie une onde ultrasonore directionnelle, qui, elle, ne va pas ou peu
diffuser, mais faire vibrer les molécules de tissus à la fréquence de l'onde. Le signal lumineux va
ainsi être modulé lors de la traversée de la zone.
On récupère ainsi un nouveau speckle plus complexe, caractéristique d'un signal modulé !
Le degré d'interaction entre les deux ondes, c'est à dire le rapport entre amplitude du
fondamental et d'une des fréquences modulées va nous renseigner sur les propriétés à la fois
acoustique et optique du milieu traversé.
En exprimant l'intensité lumineuse à la fréquence f= f0 + fus en fonction de la position du
faisceau ultrasonore dans le corps étudié, on remarque qu'au passage des ultrasons sur un point
sombre, l'amplitude des interactions entre lumière et onde acoustique diminue. En effet, la tâche
noire étant plus absorbante, le signal lumineux transmis est donc plus faible.
Figure 1: Principe de l'imagerie photo-acoustique

Les résultats suivants ont été obtenus sur ce principe : il est possible de détecter des zones où
les propriétés acoustiques ou optiques varient par rapport au milieu en une seule et même
expérience.
(a) imagerie optique, (c) imagerie acoustique, (b) et (d) imagerie photo-acoustique.
Imagerie acousto-optique
A l'aide du couplage d'ondes, on peut aussi mettre au point un protocole pour détecter les
propriétés de cisaillement des tissus, donc des tumeurs éventuelles. On étudie pour cela l'évolution
des speckles au cours de la propagation transverse de l'onde acoustique. L'intensité de la
propagation de cette onde de pression oscillante dépend d'une force de pression donnée par :
F=ZIac
où Z et α sont respectivement les coefficients de réflexion et d'atténuation des tissus
traversées, et Iac l'intensité acoustique.
Figure 2: Résultats d'une imagerie par différentes méthodes

La vitesse de propagation de l'ordre de 1 m/s est caractéristique d'une onde de cisaillement,
qui s'atténue au bout de 3cm environ.
Le coefficient de corrélation des speckles successifs, nous renseigne à la fois sur l'intensité
mécanique de l'onde, plus l'amplitude est forte, plus les speckles seront décorrélés, et à la fois sur
les propriétés optiques des tissus, faisant varier l'intensité lumineuse captée. On remarque que la
corrélation entre images chute brutalement au moment de l'envoi des ultrason. Il apparaît un second
minimum atténué, dû à la première réflexion sur les parois du cube de tissu étudié. On s'intéresse
donc uniquement à la première partie de la propagation.
Le graphe suivant représente l'évolution du coefficient de corrélation au cours du temps,
pour trois milieux différents
Figure 3: Evolution du coefficient de corrélation au cours du temps
lors de la propagation d'une onde acoustique
Figure 4: Coefficient de corrélation pour différents tissus