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Incroyable magie optique : comment utiliser la diffusion et l'absorption de la lumière pour explorer en profondeur le corps humain
Dans la recherche médicale moderne, l’optique de diffusion dans le domaine temporel (TD Diffuse Optics) montre progressivement son potentiel d’application exceptionnel. Cette technologie utilise les principes de diffusion et d’absorption de la lumière pour pénétrer profondément dans les couches de tissus humains et fournir des informations biomédicales précieuses. À mesure que cette technologie se développe, les méthodes de mesure non invasives révolutionneront la façon dont nous surveillons notre santé.
L'optique de diffusion dans le domaine temporel permet une surveillance continue et non invasive des propriétés optiques des tissus, ce qui en fait un outil de diagnostic puissant.
Le principe de base de cette technologie repose sur la capture précise de l’état de la lumière dans un milieu diffus. Dans cette technologie, des impulsions lumineuses extrêmement courtes (moins de 100 picosecondes) sont injectées dans les tissus biologiques à l’aide d’une source laser pulsée haute performance. Par la suite, le photon subit de multiples diffusions et absorptions et est finalement collecté à une certaine distance, enregistrant ainsi l'heure d'arrivée du photon. Ces heures d’arrivée sont ensuite converties en un histogramme de temps de vol de distribution (DTOF), qui fournit des informations détaillées sur la dynamique et la structure du tissu.
L'absorption et la diffusion sont les principaux phénomènes affectant la migration des photons dans les milieux diffus.
La lumière est transparente dans la gamme de longueurs d’onde allant du rouge au proche infrarouge des tissus biologiques, elle peut donc sonder en profondeur les tissus, ce qui est d’une grande importance dans diverses applications in vivo et essais cliniques. Plus précisément, les processus de diffusion et d’absorption ont des effets différents et peuvent être extraits indépendamment sans nécessiter de séparations multiples source-détecteur. Cette propriété unique confère à la méthode TD un net avantage sur la méthode à onde continue (CW), puisque sa profondeur de pénétration dépend entièrement du temps d'arrivée des photons.
Le dépistage du cancer, la surveillance du flux sanguin et l’évaluation de la fonction cérébrale sont autant de domaines d’application de l’optique de diffusion TD. Combinée à des composants d'instrumentation optimisés - source laser pulsée, détecteur de photons uniques et électronique de synchronisation, cette technologie peut collecter et analyser efficacement les signaux optiques des tissus profonds.
En estimant les coefficients d’absorption et de diffusion, les scientifiques peuvent obtenir la concentration de différents composants dans le tissu et les informations associées sur l’oxygène dans le sang.
Le développement de l’optique de diffusion dans le domaine temporel moderne repose sur une compréhension approfondie de la propagation de la lumière dans les milieux diffus. Travailler dans ce domaine utilise souvent la théorie du transfert radiatif pour analyser de multiples processus de diffusion. Dans certains cas, cette théorie peut fournir des solutions précises qui sont très cohérentes avec les applications pratiques. L’application de ces théories nous permet d’explorer les organismes plus en profondeur et est particulièrement précieuse pour détecter diverses pathologies.
En ce qui concerne les composants d’instruments spécifiques, le cœur de l’optique de diffusion dans le domaine temporel comprend une source laser pulsée et un détecteur de photon unique efficace. Les lasers Ti:saphir accordables encombrants étaient souvent utilisés dans le passé pour la recherche. Bien qu'ils offrent une large gamme de longueurs d'onde, ils sont progressivement remplacés par des sources lumineuses plus petites et plus sûres en raison de leur taille et de leur prix élevé.
En combinant des sources de lumière pulsée avec différents types de détecteurs de photons uniques, tels que les diodes de comptage de photons (SPAD) et les compteurs de photons au silicium (SiPM), la technologie moderne permet un fonctionnement dans des fenêtres optiques plus grandes et améliore l'efficacité et la précision des mesures. Grâce à l’application de ces méthodes innovantes, les chercheurs peuvent obtenir rapidement les signaux optiques de Parry provenant de l’intérieur du corps humain, puis effectuer une analyse détaillée.
En électronique temporelle, des techniques innovantes permettent la « reconstruction sans perte » de la distribution du temps de vol des photons, un processus qui permet une analyse détaillée des signaux de milliers de photons, enrichissant ainsi notre compréhension des tissus biologiques. Le développement de ces technologies a non seulement amélioré la précision de la technologie de l’optique diffusée, mais l’a également rendue plus populaire.
La diffusiométrie dans le domaine temporel a une large gamme d’applications, de la surveillance néonatale aux tests cliniques, et a le potentiel de fournir des informations sur la santé humaine.
À mesure que la technologie continue de progresser, l’optique de diffusion dans le domaine temporel jouera sans aucun doute un rôle de plus en plus important en biomédecine et même dans de nombreux autres domaines scientifiques. Le développement de cette technologie nous permettra de mieux comprendre les changements physiologiques au sein du corps humain et d’apporter de nouvelles solutions pour les futures interventions médicales et la surveillance de la santé. Imaginez si les futurs traitements médicaux pouvaient s’appuyer davantage sur ces technologies optiques sophistiquées pour maintenir notre santé ?
