Maysam Chamanzar, professeur adjoint de génie électrique et informatique (ECE) à l'Université Carnegie Mellon et Ph.D. ECE. L'étudiant Matteo Giuseppe Scopelliti a publié aujourd'hui une recherche qui présente une nouvelle technique qui utilise les ultrasons pour prendre des images optiques de manière non invasive à travers un milieu trouble tel que le tissu biologique pour imager les organes du corps. Cette nouvelle méthode a le potentiel d'éliminer le besoin d'examens visuels invasifs à l'aide de caméras endoscopiques.

Autrement dit :un jour, les étendues n'ont peut-être plus besoin d'être insérées dans le corps, comme dans la gorge ou sous la peau, atteindre l'estomac, cerveau, ou tout autre organe à examiner.

Imagerie endoscopique, ou en utilisant des caméras insérées directement à l'intérieur des organes du corps pour enquêter sur les symptômes, est une procédure invasive utilisée pour examiner et diagnostiquer les symptômes d'une maladie des tissus profonds. Imageurs endoscopiques, ou des caméras à l'extrémité des tubes ou des fils de cathéter, sont généralement implantés par le biais d'une procédure médicale ou chirurgicale afin d'atteindre les tissus profonds du corps, mais la nouvelle technique de Chamanzar offre une alternative totalement non chirurgicale et non invasive.

L'article du laboratoire publié dans Lumière :science et applications , une revue publiée par Springer Nature, montre qu'ils peuvent utiliser les ultrasons pour créer une « lentille » virtuelle dans le corps, plutôt que d'implanter une lentille physique. En utilisant des modèles d'ondes ultrasonores, les chercheurs peuvent efficacement « focaliser » la lumière dans le tissu, ce qui leur permet de prendre des images jamais auparavant accessibles par des moyens non invasifs.

Le tissu biologique est capable de bloquer la plupart de la lumière, en particulier la lumière dans le domaine visible du spectre optique. Par conséquent, les méthodes d'imagerie optique actuelles ne peuvent pas utiliser la lumière pour accéder aux tissus profonds de la surface. Le laboratoire de Chamanzar, cependant, a utilisé des ultrasons non invasifs pour induire plus de transparence pour permettre une plus grande pénétration de la lumière à travers les milieux troubles, tels que les tissus biologiques.

"Être capable de relayer des images d'organes tels que le cerveau sans avoir besoin d'insérer des composants optiques physiques fournira une alternative importante à l'implantation d'endoscopes invasifs dans le corps, " dit Chamanzar. " Nous avons utilisé des ondes ultrasonores pour sculpter une lentille de relais optique virtuelle dans un milieu cible donné, qui par exemple, peut être un tissu biologique. Par conséquent, le tissu est transformé en une lentille qui nous aide à capturer et à relayer les images de structures plus profondes. Cette méthode peut révolutionner le domaine de l'imagerie biomédicale."

Les ondes ultrasonores sont capables de se comprimer et de se raréfier, ou mince, quel que soit le milieu qu'ils traversent. Dans les régions compressées, la lumière voyage plus lentement que dans les régions raréfiées. Dans ce document, l'équipe montre que cet effet de compression et de raréfaction peut être utilisé pour sculpter une lentille virtuelle dans le milieu cible pour l'imagerie optique. Cette lentille virtuelle peut être déplacée sans perturber le milieu en reconfigurant simplement les ondes ultrasonores de l'extérieur. Cela permet d'imager différentes régions cibles, le tout de manière non invasive.

La méthode publiée est une technologie de plate-forme qui peut être appliquée dans de nombreuses applications différentes. Dans le futur, il peut être mis en œuvre sous la forme d'un appareil portable ou d'un patch de surface portable, en fonction de l'organe à imager. En plaçant l'appareil ou le patch sur la peau, le clinicien serait en mesure de recevoir facilement des informations optiques de l'intérieur du tissu pour créer des images de ce qu'il y a à l'intérieur sans les nombreux inconforts et effets secondaires de l'endoscopie.

Les applications actuelles les plus proches de cette technologie seraient l'imagerie endoscopique du tissu cérébral ou l'imagerie sous la peau, mais cette technique peut également être utilisée dans d'autres parties du corps pour l'imagerie. Au-delà des applications biomédicales, cette technique peut être utilisée pour l'imagerie optique en vision industrielle, métrologie, et d'autres applications industrielles pour permettre une imagerie non destructive et orientable d'objets et de structures à l'échelle du micron.

Les chercheurs ont montré que les propriétés de la "lentille" virtuelle peuvent être ajustées en modifiant les paramètres des ondes ultrasonores, permettant aux utilisateurs de « focaliser » des images prises en utilisant la méthode à différentes profondeurs à travers le support. Tandis que le LSA l'article se concentre sur l'efficacité de la méthode pour des applications plus proches de la surface, l'équipe n'a pas encore trouvé la limite à la profondeur que cette méthode d'imagerie optique assistée par ultrasons peut atteindre dans les tissus corporels.

"Ce qui distingue notre travail des méthodes acousto-optiques classiques, c'est que nous utilisons le support cible lui-même, qui peut être un tissu biologique, affecter la lumière lorsqu'elle se propage à travers le milieu, " explique Chamanzar. " Cette interaction in situ offre des opportunités de contrebalancer les non-idéalités qui perturbent la trajectoire de la lumière. "

Cette technique a de nombreuses applications cliniques potentielles, comme le diagnostic d'une maladie de la peau, surveiller l'activité cérébrale, et le diagnostic et la thérapie photodynamique pour identifier et cibler les tumeurs malignes.

En plus des implications directes de cette recherche sur la médecine clinique, il aura également des applications cliniques indirectes. En utilisant cette technologie acousto-optique pour visualiser des modèles murins de troubles cérébraux en action et stimuler sélectivement différentes voies neuronales, les chercheurs pourraient étudier les mécanismes impliqués dans des maladies telles que la maladie de Parkinson, éclairant la conception d'interventions thérapeutiques cliniques de prochaine génération pour traiter ces maladies chez l'homme.

"Les milieux troubles ont toujours été considérés comme des obstacles pour l'imagerie optique, " dit Scopelliti. " Mais nous avons montré que de tels médias peuvent être convertis en alliés pour aider la lumière à atteindre la cible souhaitée. Lorsque nous activons les ultrasons avec le modèle approprié, le milieu trouble devient immédiatement transparent. Il est passionnant de réfléchir à l'impact potentiel de cette méthode sur un large éventail de domaines, des applications biomédicales à la vision par ordinateur."