Les méthodes classiques de détection et d’imagerie ultrasonores (telles que l’échographie médicale ou le CND industriel) sont basées sur l’émission et la réception d’échos ultrasonores réfléchis une fois sur les interfaces présentes dans le milieu. L’analyse de ces échos permet de remonter simplement à des informations de localisation ou de réaliser des images, à condition que les interfaces ou objets en question aient des propriétés acoustiques significativement différentes de celles du milieu environnant (ce qui explique par exemple le fait qu’en échographie obstétrique, c’est le squelette du bébé qui présente le meilleur contraste sur les images).
A contrario, dans l’application présentée ici, nous exploitons les multi-trajets ultrasonores (échos réfléchis un très grand nombre de fois sur les différentes interfaces du milieu de propagation). Si, à la différence de l’échographie, elle ne permet pas de faire de l’imagerie (puisque l’information de localisation est perdue), cette technique d’analyse est en revanche extrêmement sensible à des variations de propriétés même faibles. Ces échos multiplement réfléchis sont qualifiés de « signaux de coda », du terme latin coda signifiant queue (ils apparaissent à la fin, ou la « queue » des signaux ultrasonores enregistrés).
À partir de ces codas ultrasonores, un coefficient dit de « décorrélation » est calculé. Celui-ci, de valeurs comprises entre 0 et 2, traduit le degré de dissemblance entre deux signaux : 0 correspond à des signaux identiques et 2 correspond à des signaux sans rapport l’un avec l’autre. En l’absence de tout changement, les signaux de coda sont parfaitement reproductibles d’une mesure à l’autre. Ainsi, le coefficient de décorrélation entre l’un de ces signaux, mesuré à un instant donné, et un signal dit de référence, mesuré à un instant antérieur, est alors proche de zéro.
À l’inverse, lorsqu’un changement de propriétés se produit à l’interface substrat-milieu, les variations de réflexion des ondes ultrasonores modifient les signaux de coda. Ceci se traduit par des valeurs croissantes du coefficient de décorrélation. Une mesure régulière de ce coefficient permet alors un suivi au cours du temps de l’évolution d’un milieu ou d’une interface.
Nous avons exploité ce principe pour détecter l’apparition d’un dépôt bactérien (biofilm) dans un milieu de culture contenu dans une cuve. Le capteur ultrasonore est collé sur la surface extérieure de la cuve et n’est donc jamais en contact avec le milieu. La mesure ultrasonore se fait à travers la paroi.
La valeur du coefficient de corrélation entre le signal mesuré à l’instant initial et les signaux successifs à chaque instant ultérieur a pu être directement corrélée à la croissance de la population bactérienne, comme le montre la figure 1. Sur cette figure en effet, le graphe A correspond à l’évolution du coefficient de décorrélation en fonction du temps lorsque la cuve contient un milieu stérile (absence de bactéries et donc pas de croissance de biofilm sur les parois internes de la cuve). Le graphe B représente l’évolution du coefficient en présence de bactéries dans le milieu. La comparaison de ces deux graphes montre clairement que le coefficient de décorrélation est très sensible à la croissance de la population bactérienne qui conduit à la formation d’un biofilm sur la paroi. Ceci est confirmé par une mesure de la concentration bactérienne au cours du temps (graphe C).
Figure 1 : Évolution du coefficient de décorrélation en fonction du temps d’incubation et comparaison avec la cinétique de croissance bactérienne. (A) échantillon témoin (milieu stérile). (B) échantillon contenant le milieu de culture bactérien. (C) cinétique de formation du biofilm (concentration en bactérie
Cette méthode paraît particulièrement prometteuse pour le suivi en temps réel sur site et de façon non-invasive de la formation de biofilms mais aussi, plus généralement, de propriétés d’interfaces (encrassement, dépôts divers, variations de propriétés du milieu, …).
Parmi ses limitations, on mentionnera sa grande sensibilité vis-à-vis de la température, pouvant conduire à des faux positifs. Ceci n’est pas un problème dans les cas où les conditions expérimentales sont thermostatées. Dans les autres cas, des méthodes de compensation de l’influence des variations de température sur les décorrelations des codas sont actuellement à l’étude.
Cette méthode fait actuellement l’objet du projet Interreg-2-Mers SOCORRO, dans lequel collaborent en particulier l’UPHF (IEMN), l’INRAE, l’Université de Lille (UMET).
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