En créant une nouvelle version des capteurs à fibre optique, des chercheurs chinois ont développé un système intelligent, technique d'imagerie photoacoustique flexible qui peut avoir des applications potentielles dans les dispositifs portables, l'instrumentation et le diagnostic médical.

Le chercheur principal Long Jin de l'Institute of Photonics Technology de l'Université de Jinan à Guangzhou présentera le nouveau capteur à ultrasons à fibre laser à la conférence OSA Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, qui se tiendra du 16 au 20 septembre, 2018 à Washington, D.C. Jin présentera également les résultats d'une étude utilisant un microscope photoacoustique in vivo.

La présentation fait partie de la session "Microscopie Avancée" du lundi, 17 septembre.

Leur nouvelle technique repose sur la technologie des fibres optiques pour fournir de nouveaux capteurs pour l'imagerie photoacoustique. Il utilise la détection par ultrasons à fibre optique, exploiter les effets acoustiques sur les impulsions laser via l'effet thermoélastique - les changements de température qui se produisent en raison de la déformation élastique.

« Les capteurs à fibre optique conventionnels détectent des signaux extrêmement faibles en profitant de leur haute sensibilité via la mesure de phase, ", a déclaré Jin. Ces mêmes types de capteurs sont utilisés dans des applications militaires pour détecter les ondes acoustiques à basse fréquence (kilohertz). Mais il s'avère qu'ils ne fonctionnent pas aussi bien pour les ondes ultrasonores aux fréquences mégahertz utilisées à des fins médicales, car les ondes se propagent généralement sous forme d'ondes sphériques et ont une longueur d'interaction très limitée avec les fibres optiques.Les nouveaux capteurs ont été spécifiquement développés pour l'imagerie médicale, Jin a dit, et peut offrir une meilleure sensibilité que les transducteurs piézoélectriques utilisés aujourd'hui.

Le groupe a conçu un capteur à ultrasons spécial qui est essentiellement un laser compact construit dans le noyau de 8 microns de diamètre d'une fibre optique monomode. "Il a une longueur typique de seulement 8 millimètres, " dit Jin. " Pour construire le laser, deux miroirs de réseau hautement réfléchissants sont écrits par UV dans le noyau de la fibre pour fournir un retour optique."

Cette fibre est ensuite dopée à l'ytterbium et à l'erbium pour fournir un gain optique suffisant à 1, 530 nanomètres. Ils utilisent un laser à semi-conducteur de 980 nanomètres comme laser de pompe.

"De tels lasers à fibre avec une largeur de raie de l'ordre du kilohertz - la largeur du spectre optique - peuvent être exploités comme capteurs car ils offrent un rapport signal sur bruit élevé, " a déclaré Yizhi Liang, membre de l'équipe de recherche, professeur assistant à l'Institute of Photonics Technology.

La détection par ultrasons bénéficie de la technique combinée car les ondes ultrasonores incidentes latérales déforment la fibre, modulation de la fréquence laser.

"En détectant le décalage de fréquence, nous pouvons reconstruire la forme d'onde acoustique, " a déclaré Liang.

L'équipe ne démodule pas le signal ultrasonore, extraire les informations d'origine, en utilisant des méthodes conventionnelles basées sur l'interférométrie ou tout verrouillage de fréquence additif. Plutôt, ils utilisent une autre méthode, appelé "auto-hétérodynage, " où le résultat du mélange de deux fréquences est détecté. Ici, ils mesurent la note de battement dans le domaine radiofréquence donnée par deux modes de polarisation orthogonaux de la cavité de la fibre. Cette démodulation garantit également intrinsèquement une sortie de signal stable.

Les capteurs à ultrasons à fibre laser offrent des possibilités d'utilisation en microscopie photoacoustique. Les chercheurs ont utilisé un laser focalisé à impulsions nanosecondes de 532 nanomètres pour illuminer un échantillon et exciter les signaux ultrasonores. Ils placent un capteur dans une position stationnaire à proximité de l'échantillon biologique pour détecter les ondes ultrasonores induites optiquement.

"En balayant le point laser, on peut obtenir une image photoacoustique des vaisseaux et capillaires d'une oreille de souris, ", a déclaré Jin. "Cette méthode peut également être utilisée pour imager structurellement d'autres tissus et imager fonctionnellement la distribution de l'oxygène en utilisant d'autres longueurs d'onde d'excitation, ce qui tire parti des spectres d'absorption caractéristiques de différents tissus cibles."

Les fibres optiques sont utiles car elles sont minuscules, poids léger, et intrinsèquement flexible, ajouta Jin.

« Le développement de notre capteur laser est très encourageant en raison de son potentiel pour les endoscopes et les applications portables, " dit Jin. " Mais les produits endoscopiques commerciaux actuels ont généralement des dimensions de quelques millimètres, qui peut causer de la douleur, et ils ne fonctionnent pas bien dans des organes creux avec un espace limité."