La méthode flexible de mise en forme des faisceaux laser étend la profondeur de champ pour l’imagerie OCT

Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour créer de manière flexible divers faisceaux laser en forme d’aiguille. Ces faisceaux longs et étroits peuvent être utilisés pour améliorer la tomographie par cohérence optique (OCT), un outil d’imagerie non invasif et polyvalent utilisé pour la recherche scientifique et divers types de diagnostics cliniques.

« Les faisceaux laser en forme d’aiguille peuvent étendre efficacement la profondeur de champ d’un système OCT, améliorant la résolution latérale, le rapport signal sur bruit, le contraste et la qualité de l’image sur une longue plage de profondeur », a déclaré Adam de la, chef de l’équipe de recherche. Zerda de l’École de médecine de l’Université de Stanford. « Cependant, jusqu’à présent, la mise en œuvre d’un faisceau spécifique en forme d’aiguille était difficile en raison de l’absence d’une méthode de génération commune et flexible. »

Dans Optique, les chercheurs décrivent leur nouvelle plate-forme pour créer des poutres en forme d’aiguille de différentes longueurs et diamètres. Il peut être utilisé pour créer différents types de faisceaux, tels qu’un avec une profondeur de champ extrêmement longue ou un faisceau inférieur à la limite de diffraction de la lumière, par exemple.

Les faisceaux en forme d’aiguille générés avec cette méthode pourraient bénéficier à une variété d’applications OCT. Par exemple, l’utilisation d’un faisceau long et étroit pourrait permettre une imagerie OCT haute résolution de la rétine sans aucune mise au point dynamique, rendant le processus plus rapide et donc plus confortable pour les patients. Cela pourrait également étendre la profondeur de champ de l’endoscopie OCT, ce qui améliorerait la précision du diagnostic.

« La capacité d’imagerie rapide à haute résolution des faisceaux en forme d’aiguille peut également éliminer les effets indésirables dus aux mouvements humains lors de l’acquisition d’images », a déclaré le premier auteur de l’article, Jingjing Zhao. « Cela peut aider à identifier le mélanome et d’autres problèmes de peau en utilisant l’OCT. »

Une solution souple

En tant qu’outil d’imagerie non invasif, l’OCT présente une résolution axiale constante tout au long de sa profondeur d’imagerie. Cependant, sa résolution axiale, qui est déterminée par la source lumineuse, a une très faible profondeur de champ. Pour résoudre ce problème, les instruments OCT sont souvent conçus de manière à ce que la mise au point puisse être déplacée le long de la profondeur pour capturer des images claires de toute une région d’intérêt. Cependant, cette mise au point dynamique peut ralentir l’imagerie et ne fonctionne pas bien pour les applications où l’échantillon n’est pas statique.

L’OCT utilise généralement une lentille d’objectif qui génère un point focal avec une seule et courte profondeur de champ. Pour augmenter la profondeur de champ, les chercheurs ont utilisé un élément optique diffractif connu sous le nom de masque de phase qui utilise des microstructures pour créer divers motifs lumineux résultant en de nombreux points focaux le long de la direction axiale. Ils ont conçu le masque de phase avec des groupes de pixels répartis de manière aléatoire et spécialement conçus pour créer un nouveau foyer différent de celui d’origine. Le masque de phase entier peut ensuite être utilisé pour générer des foyers densément espacés dans la direction axiale, formant un faisceau en forme d’aiguille avec une longue profondeur de champ.

« La flexibilité est le principal avantage de cette nouvelle approche », a déclaré Zhao. « La longueur du faisceau et son diamètre peuvent être modifiés de manière flexible et précise en modifiant les emplacements des foyers et la différence de phase entre tous les deux foyers adjacents. » Cette flexibilité est possible grâce à un modèle informatique que les chercheurs ont développé pour révéler la relation entre les propriétés du faisceau et les paramètres de conception des foyers multiples de manière précise et quantitative. Ils ont également développé une procédure de fabrication haute performance pour fabriquer des éléments optiques diffractifs basés sur les calculs du modèle.

Choisir le bon faisceau

Pour tester leur modèle, les chercheurs ont créé des formes de faisceau adaptées à l’imagerie de plusieurs types d’échantillons différents. Par exemple, pour imager des cellules individuelles dans une couche entière d’épiderme humain, ils ont créé un faisceau en forme d’aiguille d’un diamètre inférieur à 2 microns (résolution cellulaire) et d’une longueur d’au moins 80 microns (épaisseur de l’épiderme). Ils ont également pu capturer des images dynamiques à haute résolution d’un cœur battant dans une larve de drosophile vivante, qui est un organisme modèle important pour l’étude des maladies cardiaques. Cela nécessitait un faisceau de 700 microns de long et de 8 microns de diamètre pour visualiser la structure des organes sur une longue plage de profondeur.

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer l’approche en remplaçant l’élément optique diffractif et l’objectif actuellement utilisés pour fabriquer un faisceau en forme d’aiguille par un seul métal plat basé sur leur modèle. Ce métalène pourrait être placé sur le crâne d’une souris pour observer la dynamique des neurones à l’intérieur du cerveau de la souris en temps réel, par exemple.

Les nouveaux travaux pourraient également trouver des applications au-delà de l’amélioration de l’OCT. « Les faisceaux en forme d’aiguille peuvent être utilisés pour améliorer la résolution de tous les systèmes de microscopie, y compris la manipulation de particules avec des pincettes optiques, le traitement des matériaux, la microscopie confocale, la microscopie multiphotonique, la photolithographie et la tomographie photoacoustique », a déclaré Zhao. « Notre modèle peut également être appliqué aux ondes électromagnétiques pour l’imagerie térahertz et même aux ondes mécaniques utilisées en imagerie ultrasonore. »