Les progrès rendent l’imagerie laser plus simple et tridimensionnelle

un,bSchéma de calibrage du système PACTER (un) et l'imagerie (b) procédures. BT, piège à faisceau ; DAQ, unité d'acquisition de données ; HWP, lame demi-onde ; PBS, séparateur de faisceau polarisant ; ER, relais ergodique. Les différences entre les deux modes sont mises en évidence par les cases en pointillés noirs. cSchéma du transducteur ultrasonique monoélément fabriqué sur l'ER. d1D (t) Signaux PACTER détectés par le transducteur ultrasonique à des moments précis t₀, t₁ et t_N. eReconstruction d'un 4D (xyzt) image de vaisseaux palmaires humains à partir des signaux dans d. Crédit: Génie biomédical naturel (2023). DOI : 10.1038/s41551-023-01149-4

Il y a des moments où le progrès scientifique prend la forme de découvertes de quelque chose de complètement nouveau. D’autres fois, le progrès se résume à faire quelque chose de mieux, plus rapidement ou plus facilement. Une nouvelle recherche du laboratoire de Lihong Wang de Caltech, professeur Bren de génie médical et de génie électrique, est cette dernière.

Dans l'article « Imagerie longitudinale ultra-rapide de l'hémodynamique via une tomographie photoacoustique volumétrique à un seul coup avec un détecteur à élément unique » publié dans la revue Génie biomédical naturelWang et le chercheur postdoctoral Yide Zhang montrent comment ils ont simplifié et amélioré une technique d'imagerie qu'ils avaient annoncée pour la première fois en 2020.

Cette technique, une forme de technologie d'imagerie photoacoustique appelée PATER (Photoacoustic Topography Through an Ergodic Relay), est une spécialité du groupe de Wang.

En imagerie photoacoustique, la lumière laser est pulsée dans les tissus où elle est absorbée par les molécules du tissu, les faisant vibrer. Chaque molécule vibrante sert de source d’ondes ultrasonores qui peuvent être utilisées pour imager les structures internes d’une manière similaire à la façon dont l’imagerie ultrasonore est réalisée.

Cependant, l’imagerie photoacoustique est un défi technologique car elle produit toutes ses informations d’imagerie en une seule et courte rafale. Pour capturer ces informations, les premières versions de la technologie d'imagerie photoacoustique de Wang nécessitaient que des réseaux de centaines de capteurs (transducteurs) soient pressés contre la surface du tissu en cours d'imagerie, ce qui rendait la technologie compliquée et coûteuse.

Wang et Zhang ont réduit le nombre de transducteurs requis en utilisant un dispositif appelé relais ergodique, qui ralentit la vitesse à laquelle les informations (sous forme de vibrations) circulent dans un transducteur. Comme expliqué dans un article précédent sur PATER : « En informatique, il existe deux manières principales de transmettre des données : en série et en parallèle. En transmission série, les données sont envoyées en un seul flux via un seul canal de communication. En transmission parallèle, plusieurs éléments de les données sont envoyées en même temps via plusieurs canaux de communication.

“Les deux types de communication sont à peu près analogues à la façon dont les caisses enregistreuses pourraient être utilisées dans un magasin. La communication en série serait comme avoir une caisse enregistreuse. Tout le monde se met dans la même file et voit le même caissier. La communication parallèle serait comme avoir plusieurs caisses enregistreuses. registres et une ligne pour chacun.

« Le système conçu par Wang avec 512 capteurs est similaire au magasin doté de nombreuses caisses enregistreuses. Tous les capteurs fonctionnent en même temps, chacun prenant en compte une partie des données sur les vibrations ultrasonores générées par l'impulsion laser. les vibrations du système se produisent en une seule et courte rafale, un seul capteur serait submergé s'il était utilisé pour essayer de collecter toutes les données dans ce court laps de temps.

“C'est là qu'intervient le relais ergodique. Comme le décrit Wang, un relais ergodique est une sorte de chambre autour de laquelle le son peut résonner. Lorsque les vibrations ultrasonores traversent le relais ergodique, elles s'étendent dans le temps.

“Pour revenir à la métaphore de la caisse enregistreuse, ce serait comme si un autre employé assistait le caissier unique en disant aux clients de faire quelques tours dans le magasin jusqu'à ce que le caissier soit prêt à les voir, afin que le caissier ne soit pas débordé. ”

La dernière version de cette technologie, appelée PACTER (Photoacoustic Computed Tomography Through an Ergodic Relay) va encore plus loin, permettant au système de fonctionner à l'aide d'un seul transducteur qui, grâce à l'utilisation d'un logiciel, peut collecter autant de données que 6 400 transducteurs.

PACTER améliore PATER de deux autres manières, explique Wang, qui est également président du leadership en génie médical d'Andrew et Peggy Cherng et directeur général du génie médical.

Une amélioration est que PACTER peut créer des images en trois dimensions, alors que PATER ne peut générer que des images en 2D. Cela a été rendu possible par le développement d’un logiciel amélioré.

“La transition vers l'imagerie 3D augmente considérablement les besoins en données. Le défi consistait à acheminer les données extrêmement accrues via un seul transducteur”, explique Zhang. “Notre solution est apparue en modifiant notre approche. Plutôt qu'une méthode directe et intensive en calcul pour reconstruire des images 3D à partir des données d'un seul transducteur, nous avons d'abord étendu un transducteur à des milliers de transducteurs virtuels. Cette idée a simplifié le processus de reconstruction d'images 3D, en alignant plus étroitement avec les méthodes traditionnelles de notre imagerie photoacoustique.

Deuxièmement, contrairement à PATER, PACTER n’a pas besoin d’être calibré à chaque utilisation.

“Avec PATER, nous devions le calibrer à chaque fois pour l'utiliser, ce qui n'est tout simplement pas pratique. Nous nous sommes débarrassés de cet étalonnage unique par utilisation”, explique Wang.

L'étalonnage était nécessaire car lorsque le système envoyait une impulsion de lumière laser dans les tissus, un « écho » de cette impulsion rebondissait dans le transducteur, l'empêchant de détecter les informations ultrasonores directes.

Wang affirme que PACTER contourne ce problème en ajoutant au système ce qu'on appelle une ligne à retard. La ligne à retard force l'écho à emprunter un chemin physique plus long pour revenir au transducteur afin qu'il arrive après la réception des informations ultrasonores directes.

“Même si j'ai toujours dit que c'était possible, je savais que ce serait un défi”, dit Wang.