rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Imagerie Doppler par tomographie en optique cohérente :
applications médicales et en microfluidique
Chercheurs : Romain Maciejko, Olivier Guenat et Lionel Carrion
Collaborateurs : G. Lamouche (IMI); L. Chen (U. McGill); M Piché (U. Laval); J. Azana (INRS-EMT)
Étudiants : Z. Xu et M-M. Lanthier
Contact : Romain Maciejko; romain.maciejko@polymtl.ca; http//maxwell.phys.polymtl.ca
La tomographie en optique cohérente est une nouvelle technique non invasive d’imagerie utilisant
des sources optiques à large spectre. En plus de fournir des images statiques, elle permet d’obtenir
la vitesse d’écoulement des fluides avec une grande résolution en utilisant l’effet Doppler. C‘est une
technique prometteuse pour la microfluidique.
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La tomographie en optique cohérente, ou Optical Coherence
Tomography (OCT), est une technologie qui est apparue il y a
à peine une quinzaine d’années. Ayant une certaine similitude
avec les scans à l’ultrason mais avec une résolution de beaucoup
supérieure soit de l’ordre de quelques microns dans les
configurations habituelles, elle permet d’obtenir des images
tridimensionnelles en temps réel de façon non invasive. Pour
atteindre de hautes résolutions, il faut développer des sources
à très large spectre optique, ce que nous avons réalisé
avec les chercheurs de l’U. McGill en combinant des amplificateurs
optiques à semiconducteurs et un amplificateur basé sur
une fibre dopée à l’erbium, obtenant ainsi un spectre de 125
nanomètres de largeur, pour un coût relativement modique.
Grâce à cette source et aussi aux autres sources disponibles
dans notre laboratoire, dont un laser titane-saphir de 10 femto
secondes, nous avons pu produire de nombreuses images de
tissus biologiques tel qu’illustré sur la figure suivante.
Image des tissus cardiaques d’un poulet obtenue par tomographie en optique
cohérente.
Nos recherches actuelles en ce domaine se poursuivent en
comparant les images obtenues par la tomographie en optique
cohérente avec celles obtenues par rayons X, ultrasons et
même par résonance magnétique nucléaire.
Imagerie Doppler
En plus de fournir des images statiques, la tomographie en
optique cohérente offre de nombreuses possibilités, dont celle
de mesurer la vitesse de l’écoulement des fluides avec une
résolution jamais atteinte auparavant. La technique repose
sur l’acquisition du système de franges d’interférences appelé
interférogramme obtenu entre la lumière réfléchie par un miroir
de référence en déplacement continu et la lumière rétrodiffusée
par l’échantillon sous examen grâce à un interféromètre
de Michelson souvent construit à l’aide de fibres optiques. Si
l’échantillon lui-même est en déplacement comme dans le cas
de l’écoulement d’un fluide, une analyse appropriée permet
d’extraire la fréquence Doppler qui est directement reliée à
la vitesse de l’échantillon. Comme cette recherche est très
nouvelle, nous avons appliqué la tomographie Doppler d’abord
à des exemples classiques, dont l’écoulement dans un tube
rectiligne, et nous avons confirmé la précision de la méthode
en comparaison avec des résultats théoriques. Quelques
méthodes ont été proposées pour extraire le signal Doppler de
l’interférogramme et nous avons récemment montré que l’analyse
par la fonction de Wigner-Ville offrait une précision accrue.
Ensuite, nous avons appliqué la méthode à l’écoulement d’un
fluide à travers une région rétrécie d’un tube qui simule une
sténose dans un vaisseau sanguin.
Microfluidique
Étant donnée la résolution accrue de l’imagerie Doppler par
tomographie en optique cohérente, il semble naturel d’utiliser
cette technique pour imager les écoulements dans les
circuits miniaturisés conçus pour les analyses biologiques
dans le contexte des « labos-sur-puce » ou lab-on–a-chip.
Comme l’échelle des canaux d’écoulement est de l’ordre de
100 microns à quelques millimètres, la technique que nous
avons développée est toute indiquée. Pour le moment, nous
avons déjà imagé quelques canaux avec succès et la recherche
se poursuit avec des structures plus complexes.
Profil de fréquences Doppler lors de l’écoulement dans un tube rectiligne.
Références
• “A zero-crossing detection method applied to Doppler OCT”,
Z. Xu, L. Carrion et R. Maciejko,
Optics Express 16, 4394 (2008).
• “An assessment of the Wigner distribution method in Doppler OCT”,
Z. Xu, L. Carrion et R. Maciejko,
Optics Express 15, 14738 (2007).
• “Novel S+C+L Broadband Source based on Semiconductor Optical Amplifiers and
Erbium Doped Fiber for Optical Coherence Tomography”, D. Beitel, L. Carrion,
K.L. Lee, A. Jain, L.R. Chen, R. Maciejko et A. Nirmalathas,
CLEO 2007; see also Jour. Spec. Top. Quantum Electron. 14, 243 (2008).