La tomodensitométrie photoacoustique (PACT) est une technique d'imagerie hybride non invasive qui excite les tissus biologiques avec de la lumière et détecte les ultrasons générés par la suite pour former des images. PACT combine les avantages de l'imagerie optique :contraste optique élevé, et imagerie par ultrasons—haute résolution et pénétration profonde dans les tissus biologiques. PACT a été largement utilisé pour la cartographie des réseaux vasculaires, imagerie cérébrale fonctionnelle, et la détection de tumeurs dans les tissus profonds.

Cependant, en détectant les ondes ultrasonores, PACT ne peut échapper au marasme auquel sont confrontées toutes les techniques d'imagerie par ondes :la diffraction des ondes présente une limite fondamentale à sa résolution spatiale. En raison de la diffraction des ultrasons, une source ponctuelle absorbante est étalée en disque (fonction d'étalement du point) dans son image, qui a une taille comparable à la longueur d'onde des ultrasons. Par conséquent, les structures dans les tissus sont maculées par ce disque et floues, et toutes les caractéristiques qui sont séparées par une distance inférieure à la longueur d'onde des ultrasons ne peuvent pas être résolues. Bien qu'une résolution plus fine puisse être obtenue en détectant les ultrasons avec des longueurs d'onde plus courtes, l'atténuation des ultrasons dans les tissus devient plus forte en conséquence, limiter la pénétration.

Récemment, chercheurs du Laboratoire d'imagerie optique Caltech, réalisé par Lihong Wang, développé une technique de PACT super-résolution in vivo. Il brise la limite de diffraction acoustique en localisant les centres de gouttelettes colorées simples circulant dans les vaisseaux sanguins. Cette technique résout les vaisseaux sanguins du cerveau à une résolution six fois plus fine. La recherche a été publiée dans Lumière :science et applications .

Les chercheurs ont fabriqué des gouttelettes d'huile dans l'eau « photoacoustiquement lumineuses » en utilisant une solution d'un colorant hydrophobe, à savoir, Iodure IR-780 dans l'huile. Les tailles des gouttelettes vont de 4 à 30 microns, qui sont beaucoup plus petites que les longueurs d'onde des ultrasons détectés, ce qui en fait d'excellentes sources ponctuelles photoacoustiques. Profitant de leurs petites tailles, conformité liquide, et une "luminosité" photoacoustique élevée, une fois injecté dans la circulation sanguine, les gouttelettes s'écoulent en douceur dans les capillaires sanguins et fournissent d'excellents traceurs pour l'imagerie à super-résolution basée sur la localisation.

En injectant les gouttelettes dans les vaisseaux cérébraux de souris vivantes, les chercheurs ont atteint la super-résolution PACT en trois étapes. La première étape consiste à imager des gouttelettes teintées simples avec des tirs laser simples. Le temps d'acquisition des données de PACT (~50 s) est si court que les gouttelettes qui s'écoulent sont presque gelées dans chaque trame. Le nombre de gouttelettes injectées a été contrôlé de manière à ce que les gouttelettes soient séparées de plus d'une demi-longueur d'onde acoustique, ce qui garantissait que l'image de chacun (le disque) ne chevauche pas celles de ses voisins.

La deuxième étape consiste à déterminer la position exacte de chaque goutte en trouvant le centre de sa fonction de propagation ponctuelle. Parce que les gouttelettes sont bien séparées, leurs centres peuvent être localisés avec des précisions bien inférieures à la longueur d'onde des ultrasons. Profitant du flux de gouttelettes, les gouttelettes dans des vaisseaux étroitement séparés peuvent être résolues spatialement tant qu'elles n'apparaissent pas dans le même cadre d'image.

L'étape finale consiste à répéter les processus d'imagerie et de localisation jusqu'à l'obtention d'une densité suffisante de points sources. Les chercheurs ont acquis en continu 36, 000 cadres d'images et localisé un total de 220, 000 gouttelettes. En marquant les positions de toutes ces sources ponctuelles dans une image, une image super-résolue peut être construite, ce qui représente un réseau vasculaire plus fin puisque les gouttelettes sont confinées dans les vaisseaux. La résolution spatiale de cette image dépasse la limite de diffraction, car il est déterminé par la précision avec laquelle la position de chaque goutte peut être estimée. En plus de l'amélioration de la résolution, le suivi des gouttelettes qui s'écoulent a également permis aux chercheurs de caractériser la vitesse du flux sanguin dans le cerveau profond de souris vivantes.

Le PACT de super-résolution de la microvascularisation a une perspective passionnante. La technique a le potentiel de faire progresser considérablement l'étude de la fonction normale des vaisseaux sanguins, ainsi que la maladie, comme l'angiogenèse dans les tumeurs des tissus profonds.