Description

L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie biomédicale relativement récente, basée sur l'émission d'une onde acoustique suite à l'absorption de la lumière. Ses deux principales caractéristiques sont sa sensibilité spécifique à l'absorption optique (par opposition à la diffusion) et sa résolution en profondeur dans les tissus biologiques. L'imagerie optique en profondeur dans les tissus est très limitée en termes de résolution en raison de la diffusion multiple de la lumière : la lumière visible peut pénétrer plusieurs centimètres dans les tissus biologiques, mais ne peut être focalisée, ce qui empêche une imagerie optique haute résolution au-delà de quelques centaines de microns. Cependant, contrairement à la lumière visible, les ultrasons dans la gamme des MHz ne diffusent que faiblement dans les tissus mous et peuvent donc être focalisés à grande profondeur (plusieurs centimètres), comme l'illustre l'imagerie ultrasonore couramment réalisée en clinique. Reposant sur la détection acoustique du son émis par des absorbeurs de lumière, l'imagerie photoacoustique à grande profondeur fournit des images optiques avec une résolution acoustique (généralement de quelques dizaines à quelques centaines de microns). À faible profondeur, la focalisation de la lumière offre une résolution microscopique, qui constitue le contexte du sujet de thèse proposé. Les signaux photoacoustiques sont généralement générés par l'absorption de la lumière par les globules rouges, qui comptent parmi les plus puissants absorbeurs de lumière visible de l'organisme. Dans ce projet de doctorat, nous étudions une nouvelle approche permettant de détecter spécifiquement une classe très particulière d'absorbeurs optiques, les absorbeurs dichroïques, dont l'absorption dépend de la polarisation de la lumière. Par exemple, les absorbeurs dichroïques linéaires présentent des coefficients d'absorption différents selon la direction de polarisation de la lumière polarisée linéairement. Les plaques amyloïdes, susceptibles de se former dans le cerveau lors de maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, sont un exemple de tels absorbeurs intéressants en imagerie biomédicale. Des travaux récents ont montré qu'il est possible d'imager sélectivement le dichroïsme linéaire en utilisant une séquence de deux impulsions nanosecondes de lumière polarisée linéairement avec polarisation croisée, par simple formation d'une image différentielle révélant les absorbeurs dichroïques linéaires. De plus, il est possible d'imager non seulement la quantité de dichroïsme linéaire, mais aussi son orientation. Cependant, cette approche en lumière pulsée est limitée en termes de sensibilité car des signaux forts sont également générés par des absorbeurs non dichroïques, créant un fort signal de fond sur lequel il est généralement difficile de détecter une faible absorption dichroïque. Récemment, nous avons réalisé une expérience de preuve de concept montrant qu'il est possible de générer des signaux photoacoustiques uniquement à partir d'absorbeurs dichroïques, c'est-à-dire sans signal provenant des absorbeurs de fond non dichroïques, en modulant la polarisation de la lumière continue. Les objectifs du projet de doctorat comprennent : 1) concevoir et construire un microscope photoacoustique pour imager spécifiquement les absorbeurs dichroïques, 2) comprendre, modéliser et caractériser les performances de l'instrument (sensibilité, résolution, contraste), 3) comparer ces performances aux approches en lumière pulsée, 4) appliquer la technique à des échantillons d'intérêt biologique.

Compétences requises

Cette thèse en imagerie photo-acoustique étant principalement expérimentale, nous recherchons un(e) étudiant(e) attiré(e) par la réalisation et la conception de montage expérimentaux. Une bonne compréhension de la physique des ondes (acoustiques et électromagnétiques) est nécessaire. Avoir des notions sur la polarisation de la lumière et son formalisme (matrices de Jones et de Mueller) serait un plus . La maitrise du logiciel MATLAB serait aussi un plus pour le pilotage de l’expérience et le traitement des signaux photo-acoustiques générés par l'absorption dichroïque. Attention, au cours de la thèse, des expériences pourront être réalisées sur des échantillons biologiques vivants (par exemple des tendons de souris)

Bibliographie

Wang et al., Nature methods, 13(8), 2016.
Zhou et al., Photoacoustics, 16, 100148, 2019.
Jacquin et al. Optics Letters, 50, 5998, 2025.

Mots clés

Polarisation optique, Imagerie Biomédicale