Scanners dans le domaine fréquentiel

Tel qu’évoqué plus haut, les systèmes à mesures dans le domaine fréquentiel FD utilisent des sources de lumière modulées à des fréquences radio pour stimuler le sujet sous investigation et mesurent le déphasage Δφ entre les signaux incidents et transmis et/ou rétrodiffusés ainsi que la variation de l’indice de modulation M du signal.La détection de la lumière dans les systèmes FD se fait habituellement soit par des PMT ou par des caméras ICCD. Dépendamment du type d’instrument employé, deux techniques de détection se présentent pour extraire la phase ainsi que l’indice de modulation M, à savoir la technique hétérodyne, souvent employée avec des PMT, et la technique homodyne communément utilisée avec les caméras ICCD. La technique de détection hétérodyne consiste à mixer le signal optique détecté (transmis et/ou rétrodiffusé) de fréquence donnée ! avec un signal de référence de fréquence ! ! !! où !! représente la fréquence intermédiaire. Le signal résultant est par la suite filtré pour ne garder que la partie modulée à la fréquence intermédiaire !! qui est typiquement de quelques kHz. Ce signal contient toute l’information requise à savoir la phase et l’indice de modulation M, mais à faible fréquence ce qui facilite sa numérisation.

La technique de détection homodyne consiste à mixer le signal optique transmis et/ou rétrodiffusé et détecté avec un signal de référence de fréquence égale à celui-ci. Le signal résultant est par la

suite démodulé par un démodulateur en phase et en quadrature (I/Q demodulator) afin de fournir l’information requise. Le choix de la fréquence du signal de stimulation dans les systèmes SF est souvent dicté par le rapport signal sur bruit [Kim et al., 2008]. Plusieurs études portant sur le choix de la fréquence optimale ont été effectuées. Il en découle que celle-ci dépend principalement du type de tissu observé et de la géométrie d’illumination [Kim et al., 2008]. Les principaux scanners abordés dans cette section sont ceux développés par les équipes de recherche de Dartmouth College et Columbia University qui se sont particulièrement investies dans la conception des systèmes SF.

Le premier prototype SF conçu à Dartmouth College permet de caractériser le sujet sous investigation par des mesures en rétrodiffusion/transillumination. Le système comporte 16 fibres source et 16 fibres de détection de 6 mm de diamètre intercalées, montées sur un support motorisé permettent de stimuler et de scanner séquentiellement le sujet sous investigation sous différentes positions. Les 16 fibres sources sont couplées via un multiplexeur 1:16 à une diode laser (SDL Inc., CA) à 800 nm polarisé à travers un polarisateur en T (bias Tee : Picosecond Pulse Labs model 5545, Boulder CO) (Figure 2-10). Cette configuration permet d’une part de polariser la diode laser et d’autre part de superposer le signal modulant produit par un générateur RF à 100 MHz (Marconi Instruments model 2023, Ft. Worth TX) à une composante DC. Les 16 fibres de détection sont couplées via un multiplexeur à un seul PMT (Hamamatsu Inc model R928, Japon) dont le gain (tension entre l’anode et la cathode) est modulé par un second générateur à 100,001 MHz moyennant une fréquence intermédiaire de 1 kHz. Le signal résultant à la sortie du PMT est filtré par un filtre passe-bas (fréquence de coupure 4 kHz) puis numérisé à une fréquence de 10 kHz. Ce scanner présente un rapport signal sur bruit de 100, une erreur de mesure de l’ordre de 0.5° en phase et de 0.5% en amplitude et finalement un temps d’acquisition total de 7 minutes pour une position de stimulation donnée. Une architecture assez semblable à ce scanner a été par ailleurs présentée employant un seul PMT homodyné à 140 MHz [H. Liu et al., 2000]. Dans le but d’améliorer la résolution spatiale des images reconstruites et le temps d’acquisition de cet appareil, certaines améliorations ont été apportées [Brooksby et al., 2004]. À cet effet, 15 PMT de détection permettant une acquisition simultanée ainsi que 6 diodes laser multiplexées émettant à des longueurs d’ondes comprises entre 660 et 850 nm modulées à 100 MHz ont été incorporés réduisant ainsi son temps d’acquisition à 40 secondes (pour une longueur d’onde et une position de stimulation données). Par ailleurs, dans l’optique d’améliorer le

contraste des images reconstruites, ce scanner a été jumelé à un scanner IRM (1.5 T whole body imager, GE Medical Systems, Milwaukee, WI) afin de bénéficier de la grande résolution spatiale qu’il offre. Récemment, ce scanner a été employé pour extraire des images fonctionnelles du sein [Carpenter et al., 2009]. Pour cela, 3 diodes laser de longueurs d’ondes différentes (658, 785, et 826 nm) respectivement modulées à des fréquences de 100,0005, 100,0009 et 100,0013 MHz ont été employées pour stimuler le sein simultanément. Les 15 PMT hétérodynées à 100 MHz sont raccordés à 3 amplificateurs lock-in d’extraire simultanément les 3 signaux aux fréquences intermédiaires. Le temps total d’acquisition du scanner est de 15 secondes pour une acquisition complète.

Figure 2-10 : Système fréquentiel de Dartmouth [B. Pogue et al., 1997].

Le scanner développé par l’équipe de recherche du Biophotonics and Optical Radiology

Laboratory de Columbia University à New York [Kim et al., 2008] permet d’acquérir un nombre

de projections plus important que le système de Dartmouth, et ce, par l’emploi d’une caméra

ICCD (Figure 2-11). Par ailleurs, ce scanner présente l’avantage d’effectuer des mesures en trans-

illumination sans contact avec le sujet sous investigation contrairement au système de Dartmouth. La stimulation est assurée par une source laser (LDH-M-C-670, PicoQuant GmbH, Allemagne) de puissance 8 mW et de longueur d’onde de 670 nm, modulée par un générateur (maître) ayant une plage de fréquence de 9 kHz à 1.2 GHz. La lumière transmise par le sujet est imagée via une lentille placée en amont de l’intensificateur (HRI, Kentech Instruments Ltd., Angleterre) d’une caméra CCD (PicoStar HR12, LaVision GmbH, Göttingen Allemagne).

Diode laser Photomultiplier Tube signal generator 100.000 MHz signal generator 100.001 MHz diode power supply T linear translation stage for source multiplexing

filter wheel

linear translation stage for detector multiplexing A/D board Data Process Finite Element Calculation Scatter & Absorption Images tissue optical fibers Photomultiplier Tube

Fig. 1. Schematic of the automated imaging instrument including hardware and software processing. Source optical fibers are indicated in red and detector optical

Figure 2-11 : Système de Columbia University [Kim et al., 2008].

L’intensificateur est modulé à la même fréquence que la source laser par un générateur (esclave) (2023A, Aeroflex Incorporated, Plainview, NY, USA) moyennant une détection homodyne. Ce mode de détection permet de capter des images statiques qui dépendent du déphasage entre les générateurs maître et esclave et l’intensité de chaque pixel reflète le déphasage. De ce fait, afin d’obtenir une image complète, le déphasage est varié entre 0 et 360 degrés. Pour plus de détail concernant l’extraction de l’intensité ainsi que la phase du signal incident, le lecteur peut se référer à l’article [Reynolds et al., 1997]. L’avantage de la détection homodyne avec une caméra

ICCD est que l’image obtenue est statique et par conséquent le temps d’intégration de la lumière

sur l’écran phosphorescent par la caméra CCD peut être éventuellement lent afin d’améliorer le rapport signal sur bruit. Ce système présente un rapport signal sur bruit d’environ 40 et une précision de l’ordre de 1° pour la phase et de 2 à 5% en amplitude. Par ailleurs, ce système peut être intégré à un imageur par IRM en raccordant la caméra ICCD par des fibres optiques à l’extérieur du scanner [Masciotti et al., 2007].