L'imagerie photoacoustique génère des ondes ultrasonores en irradiant les tissus biologiques avec des impulsions ou des lasers continus modulés. Les capteurs à ultrasons sont utilisés pour capturer des signaux ultrasonores de manière distribuée. Ensuite, la distribution d'absorption lumineuse des tissus biologiques peut être reconstruite à l'aide d'algorithmes de reconstruction d'images. Par rapport à l'imagerie optique, l'imagerie photoacoustique offre une résolution spatiale plus élevée, une plus grande profondeur de pénétration et un contraste d'absorption optique sélectif, permettant ainsi une visualisation détaillée de la distribution de l'hémoglobine, des lipides, de la mélanine et d'autres chromophores dans les tissus biologiques.

En tant qu'élément clé du système d'imagerie photoacoustique, les capteurs à ultrasons décident directement des performances d'imagerie. Les capteurs à ultrasons grand public sont basés sur l'effet piézoélectrique, qui convertit les ondes mécaniques en charges électriques. La sensibilité de tels capteurs est liée à la taille des éléments piézoélectriques. Pour atteindre une sensibilité suffisante, des éléments piézoélectriques à l'échelle millimétrique sont nécessaires, ce qui limite la miniaturisation du dispositif. En tant que fibre optique spéciale d'une taille de plusieurs microns ou centaines de nanomètres, la microfibre présente les caractéristiques d'une petite taille, d'un grand champ évanescent et d'une grande sensibilité à l'environnement. Alors, peut-il être appliqué à la détection par ultrasons avec une sensibilité élevée ?

Dans une étude publiée dans Opto-Electronic Advances , le groupe de recherche du professeur Qizhen Sun de l'Université des sciences et technologies de Huazhong a proposé un capteur à ultrasons en microfibre miniaturisé. La détection par ultrasons très sensible a été démontrée en utilisant une microfibre avec un grand champ évanescent et une sensibilité environnementale. De plus, le système d'imagerie photoacoustique basé sur le capteur en microfibre a été réalisé pour la première fois, au meilleur de nos connaissances.

Les chercheurs ont optimisé le diamètre de la microfibre à 7 μm compte tenu du champ évanescent plus large. Comme le montre la Fig.1b, la sensibilité du capteur est encore améliorée en utilisant le matériau Polydiméthylsiloxane (PDMS) avec un coefficient élastique-optique élevé pour encapsuler la microfibre. Lorsque l'onde ultrasonore est appliquée sur le capteur, l'indice de réfraction du PDMS changera en conséquence en raison de l'effet élasto-optique, entraînant la modulation de l'indice de réfraction effectif de la microfibre. Un interféromètre Mach-Zehnder est construit pour démoduler les changements de phase du laser d'interrogation induits par les ondes ultrasonores incidentes. Un stabilisateur de rétroaction basé sur la méthode PID (Proportion Integration Differentiation) est utilisé pour compenser la fluctuation basse fréquence causée par le bruit. Les résultats expérimentaux montrent que la sensibilité du capteur à ultrasons en microfibre linéaire est améliorée d'un ordre de grandeur par rapport au capteur à fibre monomode standard. Le capteur présente une pression équivalente à faible bruit de 153 Pa et une large bande passante de réponse jusqu'à 14 MHz (-10 dB). De plus, le capteur peut être utilisé pour la détection de signaux plus faibles, en optimisant la microfibre et le système de détection pour améliorer la sensibilité et la bande passante du capteur.

Le groupe de recherche a également fait la démonstration d'un système d'imagerie photoacoustique basé sur le capteur en microfibre. La performance du système d'imagerie est évaluée en imageant trois cheveux humains. Le rapport signal sur bruit (SNR) du système pourrait atteindre 31 dB même à une profondeur de 12 mm. Les résolutions axiale et latérale sont respectivement de 65 μm et 250 μm à 5 mm de profondeur. Cette technologie est attendue pour une haute résolution, une grande profondeur d'imagerie et une imagerie photoacoustique/ultrasonore latérale, qui a une importance et une valeur d'application importantes dans l'examen de la santé humaine et la recherche en sciences biologiques. + Explorer plus loin

Le "flux" d'eau et de lumière inspire un capteur de coupleur en microfibre optique ultrasensible