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Écoute avec Lasers: Technique Hybrid voit dans le corps humain

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Susan Reiss, est un écrivain de la science pour la US National Science Foundation (NSF). Elle a contribué cet article à vivre de Sciences experts Voices: Op-Ed & Insights .

Un crâne humain, en moyenne, est d’environ 6,8 millimètres (0,3 pouces) d’épaisseur, soit environ la profondeur du dernier smartphone. La peau humaine, d’autre part, est d’environ 2 à 3 millimètres (0,1 pouces) de profondeur, soit environ trois grains de sel en profondeur. Bien que ces deux dimensions sont extrêmement minces, ils présentent des obstacles majeurs pour tout type d’imagerie avec une lumière laser.

Pourquoi? Les photons dans la dispersion de lumière laser quand ils rencontrent des tissus biologiques. Parcage minuscules photons pour obtenir des détails significatifs sur les tissus a révélé être l’un des problèmes les plus difficiles chercheurs laser ont été confrontés à ce jour.

Cependant, les chercheurs de l’Université de Washington à St. Louis (WUSTL) ont décidé d’éliminer la rafle de photons complètement et recourir à la diffusion à leur avantage. Le résultat: une technique d’imagerie qui pairs à droite dans un crâne, pénétrer dans le tissu à des profondeurs jusqu’à 7 centimètres (environ 2,8 pouces).

L’effet photoacoustique

L’approche, qui combine la lumière laser et ultrasons, est basé sur l’effet photo-acoustique, un concept d’abord découvert par Alexander Graham Bell dans les années 1880. Dans son travail, Bell a découvert que l’interruption rapide d’un faisceau lumineux concentré produit un son.

Pour produire l’effet photo-acoustique, Bell concentre un faisceau de lumière sur un sélénium bloc. Il a ensuite rapidement interrompue la poutre avec un disque à fente tournante. Il a découvert que cette activité produit des ondes sonores. Bell a montré que l’effet photo-acoustique dépendait de l’absorption de la lumière par le bloc, et la force du signal acoustique dépend de la quantité de lumière du matériau absorbé.

« Nous combinons certains très anciens de la physique avec un concept d’imagerie moderne », a déclaré Wang Lihong WUSTL chercheur, pionnier de l’approche. Wang et ses collègues étaient WUSTL le premier à décrire la tomographie fonctionnelle photoacoustique (PAT) et la microscopie photoacoustique 3D (PAM). [ Écoute avec Lasers: Technique Hybrid voit dans le corps humain ]

Les deux techniques suivent les mêmes principes de base: Lorsque les chercheurs briller un faisceau laser pulsé dans un tissu biologique, le faisceau se propage et produit une petite, mais montée en température rapide. Cela produit des ondes sonores qui sont détectées par des transducteurs ultrasonores classiques. un logiciel de reconstruction d’image convertit les ondes sonores dans les images à haute résolution.

En suivant un chemin tortueux

Wang a commencé à explorer la combinaison du son et de la lumière en tant que chercheur postdoctoral. À l’époque, il a développé des modèles informatiques de photons comme ils ont voyagé à travers le matériau biologique. Ce travail conduit à une NSF Faculté Early Career Development ( Carrière ) bourse pour étudier le codage de l’échographie de la lumière laser à l’information « truc » sur le faisceau laser.

Contrairement à d’autres techniques d’imagerie optique, l’imagerie photoacoustique détecte ondes ultrasonores induites par photons absorbés, peu importe combien de fois les photons ont dispersé. Détecteurs externes multiples capturer les ondes sonores indépendamment de leur emplacement d’origine. « Alors que la lumière se déplace sur un chemin très tortueux, l’onde ultrasonore se propage d’une manière propre et bien définie », a déclaré Wang. « Nous voyons le contraste d’absorption optique par l’écoute de l’objet. »

Parce que l’approche ne nécessite pas l’injection d’agents d’imagerie, les chercheurs peuvent étudier matériau biologique dans son environnement naturel. En utilisant l’imagerie photoacoustique, les chercheurs peuvent visualiser une gamme de matériel biologique, à partir de cellules et de leurs composants pour les tissus et les organes. Les scientifiques peuvent même détecter simples globules rouges dans le sang, ou de dépôts de graisse et de protéines dans les artères.

Alors que PAT et PAM sont principalement utilisés dans les paramètres de laboratoire, Wang et d’autres travaillent sur les applications cliniques multiples. Dans un exemple, les chercheurs utilisent PAM pour étudier la trajectoire de cellules sanguines comme ils traversent les vaisseaux dans le cerveau.

« En voyant les globules individuels, les chercheurs peuvent commencer à identifier ce qui se passe dans les cellules comme ils se déplacent à travers les vaisseaux. Regarder comment ces cellules se déplacent pourrait agir comme un système d’alerte précoce pour permettre la détection des sites de blocage potentiels, » a déclaré Richard Conroy, directeur de la Division des sciences appliquées et de la technologie à l’Institut national d’imagerie biomédicale et de bio-ingénierie des États-Unis.

Mêlez l’écart

Parce PAT PAM et les images peuvent être corrélés avec ceux générés par d’autres techniques, telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ou la tomographie par émission de positons (PET), ces techniques sont complémentaires. « Une modalité d’imagerie ne peut pas tout faire », a déclaré Conroy. « En comparant les résultats des différentes modalités fournit une compréhension plus détaillée de ce qui se passe à partir du niveau de la cellule de l’animal entier. »

L’approche pourrait aider à combler le fossé entre recherche animale et humaine, en particulier dans les neurosciences.
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« L’imagerie photoacoustique nous aide à comprendre comment le cerveau de la souris fonctionne », a déclaré Wang. « Nous pouvons alors appliquer cette information pour mieux comprendre comment fonctionne le cerveau humain. » Wang, avec son équipe, est l’application à la fois PAT et PAM pour étudier le fonctionnement du cerveau de la souris.

Un des défis actuels neuroscientifiques est le manque d’outils disponibles pour étudier l’activité cérébrale, a dit Wang. « Le Saint Graal de la recherche sur le cerveau est à l’image des potentiels d’action », a déclaré Wang. (Un potentiel d’action se produit lorsque des signaux électriques se déplacent le long des axones, les longues fibres qui transportent les signaux à partir du corps de la cellule nerveuse.) Avec le financement de l’Initiative cerveau nous , Wang et son groupe sont en train de développer un système de PAT pour capturer des images toutes de un millième de seconde, suffisamment rapide pour l’image des potentiels d’action dans le cerveau.

« L’imagerie photoacoustique comble une lacune entre la microscopie optique et l’échographie, » dit Conroy. « L’aspect le changement de jeu de cette approche [Wang] est qu’il a redéfini notre compréhension de la profondeur, nous pouvons voir avec l’imagerie à base de lumière », a déclaré Conroy.

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Electronique

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