Surfaces métalliques de formation de faisceau passif pour l'imagerie thermoacoustique induite par micro-ondes

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Imagerie thermoacoustique induite par micro-ondes Métasurfaces Imagerie cérébrale Rapport signal sur bruit Imagerie tissulaire

Étude des métasurfaces à formation de faisceau passif pour l’imagerie thermoacoustique induite par micro-ondes

Contexte académique

L’imagerie thermoacoustique induite par micro-ondes (Microwave-Induced Thermoacoustic Imaging, MTAI) est une technologie d’imagerie médicale émergente qui combine les avantages des micro-ondes et de l’imagerie ultrasonore. Elle utilise des impulsions de micro-ondes pour irradier les tissus biologiques. Les tissus absorbent l’énergie électromagnétique, provoquant une expansion thermique et générant ainsi des ondes ultrasonores (c’est-à-dire des signaux thermoacoustiques), qui transportent des informations morphologiques et fonctionnelles internes du tissu. L’MTAI présente des avantages comme son caractère non invasif, sa haute résolution, sa grande profondeur de pénétration et son fort contraste, ce qui lui permet d’être largement utilisée dans le dépistage du cancer du sein, l’imagerie cérébrale, l’imagerie articulaire, etc. Cependant, avec l’augmentation de la profondeur d’imagerie, l’atténuation de l’énergie des micro-ondes entraîne une réduction significative du rapport signal/bruit (SNR) et du contraste des signaux thermoacoustiques, limitant ainsi son application dans les tissus profonds.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont proposé diverses méthodes, telles que l’utilisation de sources de micro-ondes à haute puissance ou de couplage multi-antennes, mais ces approches présentent des problèmes de sécurité biologique, des conceptions de circuits complexes et des coûts élevés. Par conséquent, le développement d’une technologie sûre, à faible consommation et facilement intégrable pour améliorer la réponse des tissus biologiques aux micro-ondes est devenu un point clé de la recherche actuelle.

Origine de l’article

Cet article a été co-rédigé par Shuangfeng Tang, Yichao Fu, Yu Wang, Xiaoyu Tang, Lizhang Zeng et Huan Qin, respectivement issus du Key Laboratory of Laser Life Science du Ministère de l’Éducation et du Key Laboratory of Brain Cognition and Educational Science du Ministère de l’Éducation de l’Université normale de Chine du Sud. L’article a été publié en 2025 dans la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering, sous le titre « Passive Beamforming Metasurfaces for Microwave-Induced Thermoacoustic Imaging ».

Processus de recherche

1. Conception et principe des métasurfaces à formation de faisceau passif (PB-MS)

Les chercheurs ont proposé une métasurface à formation de faisceau passif (PB-MS), qui utilise le principe de contrôle de phase pour focaliser l’énergie des micro-ondes sur la région cible, améliorant ainsi le rapport signal/bruit (SNR) et le contraste de l’imagerie des tissus profonds. Le PB-MS est composé de 27 unités de superstructure, chacune constituée de plusieurs couches de métal (cuivre) et de matériaux diélectriques (F4B-M2). Lorsque le champ de micro-ondes est excité, ces unités génèrent des plasmons de surface, et en arrangeant ces unités, le champ de micro-ondes est remodelé pour se focaliser et se distribuer uniformément dans la zone cible.

La conception du PB-MS repose sur le principe de contrôle de phase, en ajustant les dimensions géométriques et l’orientation des unités pour modifier la phase des micro-ondes après leur passage, réalisant ainsi la focalisation du champ de micro-ondes. Les chercheurs ont utilisé le logiciel de simulation électromagnétique CST (CST Studio Suite 2022) pour modéliser et simuler le PB-MS, aboutissant finalement à un réseau de métasurfaces de 270 mm × 270 mm × 5 mm.

2. Intégration du système MTAI avec PB-MS

Les chercheurs ont intégré le PB-MS au système MTAI, comprenant une source de micro-ondes, une antenne, un transducteur ultrasonore et un système d’acquisition de données. La source de micro-ondes produit des impulsions de micro-ondes à 6,7 GHz, qui traversent le PB-MS avant d’irradier l’objet à imager. Les signaux thermoacoustiques générés sont captés par un transducteur ultrasonore semi-anneau à 128 canaux et traités par un système d’acquisition de données. La reconstruction des données utilise un algorithme de sommation retardée (DAS), permettant finalement d’obtenir une image de la distribution d’absorption des micro-ondes dans le tissu.

3. Validation par simulation et expérimentation

Pour valider la faisabilité du PB-MS, les chercheurs ont mené des simulations et des expériences. Les résultats des simulations montrent que le PB-MS peut considérablement augmenter la densité d’énergie du champ de micro-ondes tout en maintenant une certaine uniformité dans la direction de propagation. La partie expérimentale inclut des expériences d’imagerie sur des fantômes musculaires, des expériences de sensibilité sur des fantômes de différentes conductivités, ainsi que des expériences d’imagerie sur des tissus cérébraux de souris.

  • Expérience d’imagerie sur des fantômes musculaires : À différentes profondeurs (de 0,5 cm à 7,5 cm), le système MTAI utilisant le PB-MS maintient un SNR élevé de 22,2 dB à une profondeur de 7,5 cm, avec une augmentation respective de 3,9 fois et 4,6 fois de l’amplitude des signaux thermoacoustiques et du SNR.
  • Expérience de sensibilité à la conductivité : Grâce à des simulations et des expériences, les chercheurs ont prouvé que le PB-MS peut détecter un changement de conductivité de 0,095 S/m, indiquant une forte sensibilité aux faibles variations des paramètres électromagnétiques.
  • Expérience d’imagerie sur des tissus cérébraux de souris : Le PB-MS a significativement amélioré le contraste de l’imagerie cérébrale, permettant une visualisation plus claire des structures internes. Dans un modèle de souris avec hémorragie cérébrale, le PB-MS a pu détecter des hémorragies de niveau microlitre, avec une augmentation du contraste de 2,78 fois.

Résultats de la recherche

L’étude montre que le PB-MS peut considérablement améliorer la profondeur d’imagerie, le rapport signal/bruit et le contraste du système MTAI. Sur des fantômes musculaires, le PB-MS permet au système MTAI de maintenir un SNR élevé à une profondeur de 7,5 cm ; dans les expériences de sensibilité à la conductivité, le PB-MS peut détecter un changement de conductivité de 0,095 S/m ; dans l’imagerie cérébrale de souris, le PB-MS améliore significativement le contraste de l’image et peut détecter des hémorragies de niveau microlitre.

Conclusion et importance

La conclusion de cette étude est que le PB-MS, grâce au principe de contrôle de phase, réalise une focalisation efficace de l’énergie des micro-ondes, améliorant considérablement la profondeur d’imagerie, le rapport signal/bruit et le contraste du système MTAI. L’introduction du PB-MS offre de nouvelles possibilités pour l’application clinique de l’MTAI, notamment dans l’imagerie des tissus profonds et la détection précoce des maladies. De plus, la facilité d’intégration et la large applicabilité du PB-MS lui confèrent une valeur importante pour sa future promotion clinique.

Points forts de la recherche

  1. Conception innovante : Le PB-MS est la première métasurface à formation de faisceau passif appliquée à l’MTAI, réalisant une focalisation efficace de l’énergie des micro-ondes grâce au principe de contrôle de phase.
  2. Capacité d’imagerie en profondeur : Le PB-MS permet au système MTAI de maintenir un SNR élevé à une profondeur de 7,5 cm, améliorant considérablement la capacité d’imagerie des tissus profonds.
  3. Haute sensibilité : Le PB-MS peut détecter un changement de conductivité de 0,095 S/m, montrant une forte sensibilité aux faibles variations des paramètres électromagnétiques.
  4. Potentiel clinique : Le PB-MS peut détecter des hémorragies de niveau microlitre dans un modèle de souris avec hémorragie cérébrale, démontrant son potentiel d’application dans le diagnostic clinique.

Autres informations précieuses

Les chercheurs soulignent qu’à l’avenir, ils optimiseront davantage la conception du PB-MS, étendront sa plage de fréquences de fonctionnement et introduiront des métasurfaces contrôlées par FPGA pour permettre un contrôle en temps réel du point focal, de la profondeur focale et de la direction de polarisation du champ de micro-ondes, répondant ainsi à des besoins cliniques plus variés.