Matrix Approaches in Acousto-Optic Imaging
Approches matricielles en imagerie acousto-optique
Résumé
Imaging is a core element of medical diagnosis. Observation depths of standard optical imaging techniques, such as microscopy or optical coherence tomography, are limited by multiple scattering to few transport mean free paths (~mm) in biological tissues. Acousto-optic imaging is an optical imaging technique in highly scattering media based on the detection of photons from a coherent light source tagged by an acoustic field. Acoustic wave shaping techniques allow to control the area in which this ultrasonic light marking takes place. The tagged-photon quantity is proportionnal to the local light intensity in the insonnified area. Selecting the tagged light at the output of the medium allows retrieving the optical contrast in the area covered by the ultrasounds. We can then reconstruct the intensity map inside the scattering medium. In this work we use off-axis heterodyne holography to detect the tagged photons. This interferometric method uses a reference wave at the frequency of tagged photons. Interference fringes are sampled by the pixels of the camera. Successive images are combined to reconstruct the field of the tagged light. Experimental results are presented along with simulations. We then develop structured plane wave illumination. This method allows imaging a plane by probing its Fourier components. Combined with camera-based detection it offers an imaging duration compatible with in vivo implementations. We then investiguate non-linear acoustic modulation of light to reduce the tagging area. Finally, optical wavefront shaping techniques provide a measure of the acousto-optic transmission matrix of the media. This matrix links the input optic field to the output tagged field. Once measured, we use it to retrieve the transmissive channels constrained through the acoustic spot. We study this matrix by principal component analysis to allow focusing the optical waves inside the acoustic spot, thus overcoming the acoustic resolution limit.
L'imagerie est un outil clef du diagnostic médical. Les méthodes d'imagerie optique classiques telles que la microscopie ou la tomographie de cohérence optique se heurtent à la diffusion multiple de la lumière au bout de quelques libres parcours moyens de transport (~ mm) dans les milieux biologiques. Fondée sur la détection de photons issus d'une source de lumière cohérente et marqués par un champ acoustique, l'imagerie acousto-optique est une technique d'imagerie optique en milieux fortement diffusants avec une résolution millimétrique. Pour cela les techniques de façonnage de l'onde acoustique permettent de maîtriser la zone dans laquelle le marquage de la lumière par les ultrasons a lieu. La quantité de photons marqués étant proportionnelle à l'intensité lumineuse locale de la zone insonnifiée, la sélection de la lumière marquée en sortie du milieu permet ainsi de remonter à une information de contraste optique dans la zone couverte par les ultrasons. Nous pouvons alors reconstruire la carte d'intensité à l'intérieur du milieu diffusant. Dans ce travail, nous utilisons l'holographie hétérodyne hors-axe comme méthode de détection des photons marqués. Cette méthode interférométrique utilise une onde de référence à la fréquence des photons marqués. Les franges d'interférences sont échantillonnées par les pixels de la caméra ce qui permet la reconstruction sélective du champ lumineux. Des résultats expérimentaux sont présentés accompagnés de simulations. Nous développons l'illumination acoustique en ondes planes structurées. Cette méthode permet d'imager un plan en sondant ses composantes de Fourier. Combinée avec la détection sur caméra, elle permet de proposer un temps d'imagerie compatible avec le contexte de l'in vivo. Nous avons ensuite investigué des modulations acoustiques non-linéaires de la lumière pour réduire la zone de marquage. Enfin, les techniques de façonnage du front d'onde optique nous ont permis de mesurer la matrice de transmission acousto-optique du milieu. Cette matrice lie le front d'onde optique entrant au champ marqué sortant. Nous l’avons mise à profit pour mettre en évidence les canaux de transmission contraints au travers de la tache acoustique. Nous montrons que l'étude de cette matrice par analyse en composantes principales permet de focaliser l'onde optique à l'intérieur de la tache acoustique et ainsi de vaincre la limite de résolution acoustique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)