Introduction à la Transillumination en Biophotonique

Introduction à la Transillumination
en Biophotonique
Stéphane Mottin1 et Jean-Michel Tualle2
1
LTSI , CNRS & Université Saint-Etienne
Saint-Etienne
2
LPL, CNRS & Université Paris XIII
Villetaneuse
Définition du problème
A partir d’une surface d’un tissu vivant perfusé comment
pouvons-nous mesurer des propriétés ou des variations des
propriétés physico-chimiques situées à l’intérieur de ce tissu par
des voies optiques ? Notamment au travers du scalp, de la
boîte crânienne, des méninges, comment atteindre le cortex et
les tissus nerveux ? Quels sont les précisions anatomiques et
les temps de mesure que nous espérons atteindre suite à la
propagation dans ces milieux compartimentés sur plusieurs
échelles et très diffusants ?
Nous proposons une introduction à ce domaine de la
biophotonique en particulier en neurophotonique. En suivant les
différentes étapes aussi bien sur le plan théorique
qu’expérimental, nous pourrons apprécier les choix et les
compromis qui font partie intégrante du design des systèmes
optiques de transillumination.
Nous aborderons tout d’abord les aspects fondamentaux
concernant les théories de la propagation en milieux aléatoires.
Nous verrons ensuite les enjeux de l'optique biomédicale, en
nous focalisant sur les grandeurs ou les variations des
grandeurs d’intérêt. Au travers de l’intérêt biologique et/ou
médical de la mesure des coefficients optiques, la nécessité de
la résolution temporelle sera abordée. Enfin, les techniques
résolues dans le temps seront traitées en soulignant les
contraintes des systèmes opto-électroniques qui essaient de
répondre à la question. Deux brevets CNRS seront détaillés. Le
premier repose sur la détection par camera à balayage de fente
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S. Mottin – J.-M. Tualle
en mode comptage et transillumination par continuum
femtoseconde et le deuxième apporte une nouvelle méthode
interférométrique alternative à la résolution temporelle par
modulation de la longueur d’onde.
Le public visé va du licencié en physique aux ingénieurs et
aux chercheurs. L’objectif est de présenter les principes de la
transillumination des tissus vivants afin de mieux identifier les
besoins et de comprendre certaines contraintes liées à la
réalisation de diverses approches. Ces domaines sont
regroupés sous le sigle DOT (diffuse optical tomography). Les
principes de transillumination DOT peuvent être, bien sûr, être
étendus à d’autres matériaux diffusants en dehors des sciences
du vivant.
Les théories de la propagation des tissus
Divers aspects de la propagation dans des milieux diffusants
en biologie (par exemple le scalp/crâne/tissus nerveux) et des
systèmes picoseconde/femtoseconde associés ont déjà été
détaillés notamment par les trois équipes françaises qui
travaillent sur la DOT [Avrillier, 2001], [Laporte, 2004], [Montcel,
2004]. Brièvement on peut réduire la complexité des tissus
vivants au dessus de quelques millimètres à un milieu diffusif
ou à un ensemble de milieux diffusifs souvent disposés de
manière stratifiée. Avec cette approximation on réduit le
problème à la détermination de deux coefficients : le coefficient
d’absorption et le coefficient de diffusion réduit.
L'approximation de la diffusion consiste à considérer la
migration des photons suivant l'équation suivante avec
l'opérateur diffusion-réaction :
(1)
est une densité volumique d’énergie (ou une « concentration
de photon »).
En milieu infini (R3), pour S0 = Dirac spatial et temporel et avec
U fonction d’Heaviside, la solution est la suivante:
Introduction à la Transillumination en Biophotonique
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Mettre l’équation en fichier attaché (TIFF ou jpeg de qualité)
avec le .doc
 (r, t )  U (t )
exp( r 2 /(4Dct )   a ct )
3 / 2 (4Dct )3 / 2
Cette fonction de Green comporte la variable t, temps en ps,
et la variable r en mm qui représente la distance entre le point
d’impact laser (r=0) et le point de détection différent de ce point
d’impact. Les conditions limites pour la géométrie semi-infinie
sont souvent du type mixte, c’est-à-dire une combinaison
linéaire des conditions de Dirichlet et de Neumann [Kienle,
1997]. Cette approximation P1 de l'équation du transfert radiatif
[Avrillier, 2001] fait intervenir la diffusivité photonique (Dc).
Cette diffusivité est égale à c/(3(a + s‘)) avec a coefficient
d’absorption en mm-1 et s‘ coefficient de diffusion réduit en
mm-1. La diffusivité photonique est de l'ordre de 0.02mm 2/ps
pour les tissus diffusants comme la substance grise. Ainsi pour
des migrations sur L=10 mm, l'échelle du centième du temps de
Fourier L2/(4Dc) est de l'ordre de quelques picosecondes, et
l’ordre de grandeur de la réponse temporelle est de quelques
centaines de picosecondes. Pour divers tissus des valeurs des
coefficients d’absorption et de diffusion sont détaillées dans la
littérature [Cheong, 1990], [Yaroslavsky, 2002] : l’ordre de
grandeur est respectivement pour le s‘, 4mm-1 et pour a,
0.01mm-1 (à 800 nm), relativement proches des valeurs
typiques du lait UHT demi-écrémé [Ramstein, 2004].
Le passage des informations mesurées à la surface à une
information recherchée dans le volume
Récupérer des informations dans un volume par des voies
optiques est réalisable suivant trois voies :
1) Méthode 1 : « ouvrir » le volume par exemple en insérant
une fibre optique (voir figure ci-dessous) [Mottin, 2001b],
[Laporte, 2004] ou par micro-endoscopie à confocalité fixe
[Digital light confocal MicroEndoscopy, 2002], [Sung,
2003], [Viellerobe, 2004].
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2) Méthode 2 : Effectuer des coupes optiques par
microscopie avec différents modes de confocalité ou de
confinement et avec différents contrastes [Mertz, 2001],
[Mertz, 2004] (voir les articles de Lenne et de Cognet dans
ce présent ouvrage).
3) Méthode 3 : Les techniques DOT qui forment le cœur de
cette article.
Les enjeux de l'optique des milieux non limpides et la
résolution temporelle « picoseconde »
Pour l’optique des tissus perfusés, la lumière peut pénétrer
assez profondément dans les tissus biologiques pour des
longueurs d’onde situées dans l’infra-rouge proche. Cette
propriété permet l’évaluation quantitative de l’oxygénation des
tissus qui est « liée » au coefficient d’absorption à ces
longueurs d’onde. Les tissus sont essentiellement composés
d’eau. La cellule vivante qui contient le moins d’eau est le
globule rouge (de l’ordre de 50 % d’eau). Le spectre
d’absorption de l’eau montre que l’absorption étant assez faible
en dessous de 1300 nm, l’exploration centimétrique est
possible. Du côté du visible la fenêtre de cette exploration des
tissus est limitée par l’absorption des chromophores naturels
notamment les hémoglobines. Plus la longueur d’onde se situe
vers le bleu plus la diffusion augmente et plus l’absorption
augmente aussi. La fenêtre d’exploration est donc finalement
réduite à une dynamique de deux : de 650 à 1300 nm.
Nous n’avons abordé que les propriétés d’absorption et de
diffusion. Si on considère l’émergence du NIRF (near-infrared
fluorescence) dans l’imagerie du petit animal [Weissleder, 1999]
alors on peut espérer que la fenêtre 1000-1400 nm connaisse
un fort développement. Les nouveaux fluorophores stables,
biocompatibles et à haut rendement quantique dans le NIR
forment le point crucial de cette approche. Ils pourront être
excités par les lasers impulsionnels pico/femtoseconde dont la
tendance générale est l’émission dans cette fenêtre comme
certaines parties de ce livre le soulignent. De plus l’imagerie FLI
(fluorescence lifetime imaging) permettra des techniques
Introduction à la Transillumination en Biophotonique
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quantitatives robustes. En plus de la détection des tumeurs
sub-millimétriques sur des profondeurs centimétriques, des
mesures quantitatives fiables devraient ouvrir de nouveaux
champs.
Mettre figure 1 (en TIFF ou jpeg haute qualité 300dpi) dans un dossier
Figure 1. Exemple d’un dispositif d’imagerie spectrotemporelle de transmittance. L’ensemble spectrographe-camera
à balayage de fente donne
des images en fonction du temps de vol
sur une fenêtre spectrale.
On connaît déjà diverses techniques de spectrophotométrie
de milieux limpides notamment les techniques développées
dans les années quatre-vingts qui permettent de mesurer
l'absorption sur l'ensemble d'un spectre, sans balayage, en
particulier à l'aide de détecteurs comportant des barrettes de
photodiodes. Ces techniques autorisent la spectrophotométrie
différentielle et les analyses de mélanges de colorants en
temps réel dans le cas des milieux limpides. Si le milieu est plus
complexe et ne permet plus l’utilisation de l’équation des ondes,
ces approches ne sont plus valides. Pour sonder ces milieux
hétérogènes non limpides, il faut développer une
instrumentation optique plus complexe où la résolution
temporelle intervient.
Les trois idées centrales de ce brevet sont :
(i) d’ajouter la résolution du temps de vol à ces approches
de mesure spectrale sans balayage. L’image obtenue est
une intensité (notée z) en fonction du temps et de la
longueur d’onde : z=f(t,),
(ii) d’utiliser les dérivées partielles premières, secondes et nième des flux photoniques mesurés par rapport à la
longueur d'onde et au temps (∂z/∂t, ∂z/∂, ∂2z/∂/∂t ...),
(iii) de quantifier l’intensité en nombre de photo-électron
unique.
Conclusion
448
S. Mottin – J.-M. Tualle
Depuis 15 ans, nous sommes passés des premiers travaux
de transillumination [Delpy, 1988] à une nouvelle phase
d’imagerie fonctionnelle [Okada, 2003], [Taga, 2003],
[Bluestone, 2004]. Les approches impulsionnelles sont plus
coûteuses mais semblent plus robustes pour les validations
cliniques. De nouvelles approches mettant en œuvre des
modulations en longueur d’onde devraient permettre d’espérer
une analyse plus fine des photons diffusifs avec des coûts très
faibles.
D’autres voies notamment OCT et microscopies nonlinéaires, devrait permettre de sonder avec d’excellentes
résolutions spatiales des profondeurs de plus d’un millimètre de
milieux diffusants comme les tissus nerveux corticaux.
Une des voies actuelles est aussi de situer les approches
optiques dans le paysage des autres imageries fonctionnelles.
Le couplage avec l’imagerie par résonance magnétique est une
tendance forte qui devrait se confirmer.
Remerciements
Les auteurs souhaitent remercier Stéphane Ramstein, Pierre
Laporte, Clementine Vignal, Nicolas Mathevon, Ha Lien
Nghiem, Eric Tinet et Sigrid Avrillier.
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