Un point de lumière laser à motifs apparaît sur la lame remplie de yaourt. Moussa N'Gom et son équipe ont mesuré la luminosité de la lumière traversante pour des centaines de motifs, que leur algorithme a intégré dans une représentation mathématique du modèle de diffusion du yaourt. Crédit :Joseph Xu, Ingénierie du Michigan
Avec du yaourt et du verre pilé, Des chercheurs de l'Université du Michigan ont fait un pas vers l'utilisation de la lumière visible pour imager l'intérieur du corps. Leur méthode de focalisation de la lumière à travers ces matériaux est beaucoup plus rapide et plus simple que l'approche dominante actuelle.
Les structures denses comme les os apparaissent clairement aux rayons X, mais les tissus plus mous comme les organes et les tumeurs sont difficiles à distinguer. C'est parce que les rayons X sont fortement déviés par les os, tandis qu'ils coupent directement à travers les tissus mous.
Lumière visible, d'autre part, est dévié par les tissus mous. Jusque récemment, cela a rendu impossible la vision à travers la peau avec la lumière visible, alors que la lumière peut traverser, il est dispersé dans tous les sens. À la fois, la lumière visible serait plus sûre pour l'imagerie diagnostique que les rayons X à plus haute énergie.
"La lumière entre, il heurte une molécule, en frappe un autre, en frappe un autre, fait quelque chose de vraiment fou, et sort de cette façon, " dit Moussa N'Gom, chercheur assistant en génie électrique et informatique et premier auteur d'une étude sur Rapports scientifiques cela explique le défi de prédire les chemins des rayons lumineux individuels.
En comprenant exactement comment une tache de peau diffuse la lumière, les chercheurs espèrent modeler soigneusement les faisceaux lumineux afin qu'ils se concentrent à l'intérieur du corps, une première étape pour voir à l'intérieur.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont épelé "MICHIGAN" avec un faisceau de lumière traversant le yaourt et le verre pilé. Ils ont choisi ces matériaux car ils diffusent fortement la lumière et sont de bons modèles pour la peau. Leur démonstration, rappelant d'écrire un nom avec une lampe de poche, montre qu'ils peuvent prendre un seul, balayage rapide du matériau et mise au point à travers de nombreux points, comme ils auraient besoin de le faire pour imager les tissus à l'intérieur du corps.
Une amélioration par rapport à l'approche actuelle
Michigan, énoncé en 157 points. Les images de chaque point focal ont été superposées pour produire la vidéo. Crédit :Michigan Wavefront Shaping, Université du Michigan
Le domaine de l'imagerie des objets à travers les matériaux, des couches de peinture aux coquilles d'œufs et même aux crânes de souris, a fait de grands progrès au cours de la dernière décennie. La méthode "holographique" typique démêle le motif de diffusion en regardant comment les ondes lumineuses interfèrent les unes avec les autres - cela donne des informations sur la façon dont les différents rayons ont été retardés sur leur chemin à travers le matériau.
Cette méthode est très précise, dit N'Gom, mais c'est lent. Pour accélérer les choses, les chercheurs découvrent généralement juste assez de motif de diffusion pour se concentrer sur un point particulier. Pour se concentrer sur un autre point, le matériel doit être scanné à nouveau. Cela ralentirait le processus de mesure de la taille ou de la texture d'une tumeur, par exemple.
"Notre méthode est nettement plus rapide et plus pratique car nous utilisons un seul ensemble de mesures pour générer tous ces points, et nous n'avons pas à renumériser, " dit N'Gom.
Comme c'est généralement le cas pour les expériences de focalisation à travers les matériaux, les chercheurs ont utilisé un modulateur spatial de lumière pour produire des motifs lumineux. Si vous avez braqué un laser à travers du verre dépoli, il entrerait en un point d'un côté, à un angle particulier, puis quitter l'autre côté par de nombreux points, dans des directions différentes. En combinant un écran avec un réseau de miroirs, un modulateur spatial de lumière peut faire l'inverse, envoyer de la lumière sur une surface en de nombreux points, sous plusieurs angles, de sorte que ces rayons convergent sur un point de l'autre côté de la matière.
Ils ont configuré le modulateur spatial de lumière pour qu'il brille dans des centaines de motifs différents (461 en tout). Mais plutôt que d'analyser les trajets des rayons lumineux individuels émergeant de l'autre côté, L'équipe de N'Gom a mesuré la luminosité—combien de lumière l'a fait sortir.
Ils ont développé un algorithme pour parcourir les modèles de lumière entrants et les mesures de luminosité sortantes, utiliser les informations pour construire une représentation mathématique du modèle de diffusion du matériau, appelée matrice de transmission.
"Techniques précédentes, au lieu, utilisé des configurations complexes dites holographiques pour extraire les informations nécessaires, " a déclaré Raj Rao Nadakuditi, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique et auteur principal de l'étude. « Nous avons pu obtenir la même chose grâce à de simples mesures de luminosité et, par conséquent, fonctionner beaucoup plus rapidement. »
Moussa N'Gom désigne un présentoir montrant comment le yaourt diffuse la lumière. Il espère que l'algorithme rapide développé par son équipe est une autre étape vers l'imagerie médicale qui peut voir à travers la peau avec la lumière visible. Crédit :Joseph Xu, Ingénierie du Michigan
En utilisant la matrice de transmission, L'équipe de N'Gom a pu déterminer exactement comment régler le modulateur spatial de lumière pour obtenir un point lumineux à n'importe quel point de l'autre côté du verre dépoli ou du yaourt.
Dans le yaourt, il y avait une limite de temps sur la durée de validité de la carte, juste quelques minutes. C'était assez de temps pour N'Gom et ses collègues d'épeler "MICHIGAN" en 157 coups.
Premières images possibles d'ici cinq ans
En peau, les contraintes de temps sont beaucoup plus strictes :ils auraient besoin d'une nouvelle carte toutes les millisecondes environ. Toutefois, avec une électronique de pointe, N'Gom pense que leur algorithme pourrait fonctionner aussi vite.
Un autre défi pour voir à travers la peau est qu'ils ne seraient pas en mesure de placer un détecteur en dessous pour mesurer la luminosité de la lumière. Pour ça, N'Gom a déclaré que les chercheurs utilisent des ultrasons pour détecter le chauffage dans le tissu cible, une mesure de la quantité de lumière qui traverse.
Finalement, avec la lumière concentrée à l'intérieur, un appareil d'imagerie aurait encore besoin de focaliser la lumière revenant de la peau. Pour ça, ils pouvaient essentiellement renvoyer le motif de lumière à travers la matrice de transmission pour en déduire d'où venait la réflexion.
Considérant les progrès récents et les études en cours dans la focalisation de la lumière à travers des matériaux translucides, N'Gom prévoit que nous pourrions voir les premières images de lumière visible prises à travers la peau dans les cinq prochaines années.
