Faisabilité de l'utilisation d'un interféromètre Sagnac à fibre optique compact pour la détection sans contact de la vitesse des ondes mécaniques à la surface des tissus mous
Exploration du potentiel de l’interféromètre Sagnac optique à fibres pour la caractérisation non invasive de l’élasticité des tissus mous
Introduction
Les propriétés mécaniques des tissus mous jouent un rôle crucial dans la médecine moderne et la recherche biomédicale. Une compréhension approfondie des propriétés mécaniques des tissus mous permet d’évaluer leur intégrité structurelle ainsi que les conditions pathologiques potentielles. Cependant, les techniques traditionnelles d’évaluation des propriétés mécaniques des tissus nécessitent souvent un contact direct avec le tissu, ce qui peut causer de l’inconfort chez les patients, particulièrement dans des domaines sensibles comme l’ophtalmologie. En outre, le contact direct peut entraîner une contamination des tissus ou introduire des artefacts dans les résultats, compromettant ainsi la précision de la détection. Par conséquent, il est impératif de développer des méthodes non invasives pour mesurer les propriétés mécaniques des tissus mous.
Ces dernières années, des technologies optiques non invasives, telles que la tomographie par cohérence optique en domaine fréquentiel (Fourier Domain Optical Coherence Tomography, ou FD-OCT), sont devenues un domaine de recherche prometteur pour la détection des ondes mécaniques des tissus mous. Cependant, la méthode FD-OCT présente plusieurs défis, notamment une bande passante limitée, une complexité dans le traitement des données et un bruit numérique significatif. À l’inverse, l’interféromètre Sagnac présente des avantages marqués grâce à sa capacité de détecter directement la vitesse des vibrations, évitant ainsi le traitement post-signal, avec un bruit réduit et une flexibilité dans l’ajustement de la gamme de fréquences détectées.
Dans ce contexte, Gui Chen et le professeur Jinjun Xia de la Lawrence Technological University ont proposé un système combinant un transducteur PZT (plomb-zirconate-titanate) à couplage aérien et un interféromètre Sagnac optique à fibres compact, pour détecter de manière non invasive la vitesse des ondes superficielles mécaniques dans les tissus mous. Cette étude, publiée en février 2025 dans Biomedical Optics Express, explore la faisabilité et les applications potentielles de ce système pour la caractérisation mécanique des tissus mous.
Méthodologie détaillée
Déroulement de l’expérience
L’étude s’articule autour des étapes suivantes :
1. Conception du transducteur ultrasonique PZT à couplage aérien et génération d’ondes superficielles
Un transducteur PZT à couplage aérien avec focalisation linéaire a été utilisé dans cette étude. Ce transducteur a été conçu selon le principe de la force de rayonnement pour générer des ondes de cisaillement de basse fréquence. En pratique, une onde ultrasonore transitoire focalisée agit sur la surface des tissus mous, provoquant des oscillations de cisaillement de basse fréquence dans la zone focale, qui se propagent ensuite dans le tissu. Pour optimiser la génération de la force de rayonnement, une onde longitudinale ultrasonore avec une fréquence de 1 MHz a été inclinée pour incider sur la surface de l’échantillon, augmentant ainsi le transfert de momentum.
2. Développement d’un interféromètre Sagnac optique à fibres compact
L’étude a développé un interféromètre Sagnac optique à fibres compact pour détecter les ondes superficielles générées par le transducteur à couplage aérien. L’interféromètre Sagnac exploite deux faisceaux de lumière alternant entre des branches optiques identiques pour interférer. Lorsque la surface de l’échantillon est statique, ces faisceaux parcourent la même distance optique ; mais si la surface vibre, les faisceaux interagissent à différents moments, convertissant ainsi un signal d’interférence en un signal de vitesse vibratoire. Pour ajuster la gamme de fréquences détectées, l’étude utilise une fibre optique monomode de 50 m fonctionnant en polarisation contrôlée comme ligne de retard.
3. Utilisation de fantômes imitant les tissus biologiques
Pour simuler les tissus biologiques réels, des fantômes à base de gélatine ont été utilisés, avec une rigidité contrôlée par la concentration en gélatine. Des fantômes de concentrations de 6 % et 8 % ont été préparés avec du dioxyde de titane (TiO2) ajouté comme diffuseur optique. Les échantillons ont été façonnés sous forme cylindrique de 15 mm de hauteur et 100 mm de diamètre.
4. Mesure de la vitesse des ondes superficielles et estimation du décalage temporel
Pour calculer précisément la vitesse des ondes superficielles, l’étude a appliqué la transformation de Hilbert pour construire des signaux analytiques, puis utilisé la fonction de corrélation croisée complexe pour calculer le décalage temporel (\Delta t). En divisant la distance connue (\Delta d) entre les points de déclenchement et de détection par (\Delta t), la vitesse des ondes superficielles est déterminée. De plus, les vitesses de groupe et de phase ont été mesurées pour vérifier leur cohérence.
Analyse des données et description des algorithmes
1. Méthode d’estimation du décalage temporel
L’estimation du décalage temporel est basée sur des calculs de corrélation croisée et exploite la borne inférieure de Cramér-Rao pour évaluer les erreurs systématiques. L’impact du rapport signal/bruit (SNR), du coefficient de corrélation au pic et de la bande passante du signal sur l’erreur d’estimation a également été analysé.
2. Calcul des vitesses de groupe et de phase
Les vitesses de groupe ont été déterminées via l’analyse Fourier des bandes de fréquence et des décalages de phase. L’étude a également calculé les vitesses de phase autour de la fréquence centrale (1 kHz) et des points où le signal est atténué de 6 dB, garantissant la représentativité et la cohérence des données.
Résultats expérimentaux
1. Détection des ondes superficielles
L’interféromètre Sagnac compact a détecté avec succès des ondes superficielles de basse fréquence dans des fantômes imitant les tissus biologiques. Dans les fantômes de 8 % de concentration, les vitesses obtenues pour le groupe et la phase étaient respectivement de 3,32 m/s et 3,39 m/s. Pour les fantômes à 6 %, ces vitesses étaient respectivement de 2,05 m/s et 2,11 m/s.
2. Calcul du module de Young
En appliquant la théorie classique de l’élasticité, le module de Young des fantômes a été calculé. Les résultats indiquent que le module de Young pour le fantôme à 6 % est de 14,5±3,44 kPa, tandis que celui à 8 % est de 37,44±18,11 kPa. Ces résultats sont cohérents avec les valeurs obtenues par des méthodes mécaniques standard.
3. Analyse des erreurs
Dans le fantôme à 8 %, l’erreur d’estimation minimale du décalage temporel était de 15,94 µs, avec une erreur relative de 1,6 %. Pour le fantôme à 6 %, l’erreur était de 49,98 µs, soit une erreur relative de 5 %. Même après prise en compte de l’atténuation de la corrélation, les erreurs restaient acceptables.
Conclusion et perspectives
Conclusions de l’étude
- Cette étude montre pour la première fois que l’interféromètre Sagnac optique compact peut détecter avec succès des ondes superficielles de basse fréquence, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités de caractérisation mécanique non invasive des tissus mous.
- Les mesures cohérentes des vitesses de groupe et de phase permettent un calcul fiable du module de Young.
Signification de l’étude
- L’étude comble une lacune technologique dans le domaine de la caractérisation des tissus mous, notamment en exploitant des signaux réfléchis faibles.
- Le système développé présente un potentiel clinique significatif, en particulier dans des domaines sensibles comme l’ophtalmologie.
Points forts de l’étude
- Innovation méthodologique : Le système combine pour la première fois un transducteur ultrasonore à couplage aérien et un interféromètre Sagnac, avec des avantages tels que la réduction du bruit et des erreurs de traitement.
- Polyvalence : La capacité à ajuster la bande passante confère une grande adaptabilité au système.
- Fiabilité : Les résultats expérimentaux cohérents avec la théorie classique renforcent la validité du système.
Perspectives
L’équipe de recherche prévoit d’améliorer le système Sagnac, notamment en introduisant un mécanisme de balayage optique pour accélérer la collecte des données. De plus, une validation sur des tissus biologiques réels sera entreprise, et une comparaison avec les systèmes FD-OCT sera effectuée pour mettre en lumière les avantages et inconvénients des deux approches, guidant ainsi les futures recherches dans ce domaine.