7 - AMPCfusion

UE 13 –Parcours N° 3 – Cours N°7
02/12/15
M. Philippe Girard.
philippe.girar[email protected]
RT : Pauline AUBRY
Clara AUBERTON
RL : Samy SI LARBI
Au cœur du vivant : la photonique au service de la
recherche en biologie et en médecine.
Plan :
I. Introduction : l’imagerie médicale
a. Les techniques classiques
i. Les Rayons X
ii. L’échographie
iii. La médecine nucléaire
iv. L’IRM
b. Les nouvelles techniques : les techniques photoniques
i. La lumière, généralités
ii. Propagation des photons
iii. Transillumination
II. La microscopie de fluorescence
a. Principes de la fluorescence
i. Généralités
ii. Les marqueurs pour l’imagerie moléculaire
b. Microscopie « Plein Champ »
c. Microscopie Confocale
III- La microscopie non linéaire
a. La microscopie biphotonique (ou multiphotonique)

IV- La tomographie optique
a. OCT : Optical Coherence Tomography
b. OPT : Optical Projection Tomography
Abréviations : Ac : Anticorps
Mot du RT
I. Introduction : l’imagerie médicale
Dans ce cours, nous allons voir les différentes techniques microscopiques qui deviennent
petit à petit utilisées en médecine.
A- Les techniques classiques
Il faut se demander à quoi sert cette imagerie, qui est différente de l’imagerie en biologie. Il
est possible d’observer le patient sans opération c’est-à-dire regarder un endroit particulier sans
l’ouvrir => méthode non invasive. Il est possible d’obtenir une représentation visuelle
d’informations médicales : signal en 1D, 2D, 3D, 4D (lorsqu’on ajoute le temps). Au sens large,
elles permettent d’acquérir et de stocker des données médicales. L’ordinateur est derrière
pour arriver à extraire des informations nécessaires à l’établissement du diagnostic et à des fins
physiologiques + thérapeutiques. Tout est lié au développement des ordinateurs.
Il existe 4 grandes familles de techniques d’imagerie :
-Radio X
-Echographie
-IRM
-Médecine nucléaire
Elles permettent notamment d’observer le sein et d’apprécier différents contrastes.
i. Les Rayons X
Elles regroupent elles aussi différentes techniques. Chaque onde a une fréquence bien
définie, autour de 10^19 Hz (grande fréquence et faible en temps, c’est-à-dire période), il faut
les envoyer très rapidement. On regarde le coefficient d’atténuation, qui nous indique
comment les ondes sont absorbées par le milieu. La résolution est bonne 1/10 du mm. Mais
pour la biologie, elle ne sera pas adaptée. C’est un examen rapide et très répandu, cependant,
c’est un examen très irradiant (mais moins irradiant que le scanner). Il existe un nombre limité
de radios que l’on peut faire au cours d’une vie, sinon risque de modifications et cassures dans

l’ADN. On ne peut pas distinguer les différents tissus, ex : les tissus mous pas de contraste, on
ne voit pas le cartilage. Mais on peut distinguer l’os (blanc=opacité) et l’air (noir=hyperclarté).
Les RX sont très irradiants mais Goerges Charpak (prix nobel de physique 1992) a découvert
une méthode pour utiliser des RX à plus faible dose afin de réaliser une radio du corps
entier en 20min (Irradiation divisée par 10 en 2D et par 1000 en 3D). Cette radio est appelée
EOS. Il est nécessaire d’avoir plusieurs images en 2D pour créer du 3D. Sur un EOS, on peut
diagnostiquer de l’ostéoporose et il n’y a plus de problème de contraste parmi les tissus mous. Il
est donc possible de voir un cancer du sein.
ii. L’échographie
Imagerie reposant sur le principe des ondes sonores. Ici, on utilise des ondes sonores
appelées ultrasons de 10^6 Hz (haute fréquence). On regarde l’impédance. C’est un examen
peu coûteux, non invasif, animé en temps réel avec un appareillage mobile.
Inconvénient : qualité de l’image, exemple : pas capable de voir sur le fœtus tous les éléments
de l’enfant. De plus, on ne peut pas voir quelque chose derrière l’os.
iii. La médecine nucléaire
Imagerie nucléaire=Tomographie axiale par ordinateur=PET Scan=Scanner
Utilisation systématique d’un produit invasif isotope (++) qui émet des
rayonnements gamma de 5.10^19 Hz. On mesure la concentration de l’élément radioactif.
Résolution très bonne 2 à 5mm. Cette technique permet de rendre compte de phénomènes
relatifs au fonctionnement des cellules : imagerie métabolique.
Inconvénients : TRES irradiant + Limité aux régions où le radioélément va se fixer. Exemple :
témoin de glucose viabilité des cellules, si fixation tumeur. On ne sait pas aujourd’hui les effets à
long terme d’injections prolongées de produit isotope au sein de l’organisme pour faire des
scanners.
iv. L’IRM
Elle repose sur des propriétés magnétiques. On aligne le moment bipolaire de chaque
molécule d’eau avec un champ magnétique puissant puis on l’éteint et on observe la relaxation
de chaque molécule qui donne des informations structurales et fonctionnelles. On utilise 1,5
teslas pour les IRM faibles (mais c’est quand même 30000 fois le champ magnétique terrestre),
3 teslas pour les IRM plus puissantes.
Résolution en mm, bien pour le corps humains. On distingue les différents tissus mous mais
on ne peut pas le faire avec les tissus durs. On peut faire des coupes en 3D.
Inconvénients : Coûts très élevé, l’examen est très lent, inconfortable pour le patient. On
peut combiner cette technique avec d’autres techniques. Exemple : on peut voir les vaisseaux
sanguins avec une angiographie IRM. Autres techniques : IRMd et IRM fonctionnelle (prise en
compte du temps dans l’IRMf, on peut faire du 4D)
Le scanner permet de faire du 4D mais limite en temps car il faut acquérir vite, la résolution en
prend alors un coup. En IRM, on peut aussi faire du 4D pour étudier des lésions ex : SEP
(Sclérose en plaques).
B- Les nouvelles techniques : les techniques photoniques

 Les Techniques photoniques de l’UV aux IR (diapo passée vite par le prof)
- Tomographie : Tomographie Optique Cohérente (OCT) (machine fréquente chez
l’ophtalmo) + Tomographie Optique par Projection (OPT)
- Imagerie par fibre optique : Microendoscopie + Microendoscopie confocale +
Microendoscopie biphotonique
- Imagerie biphotonique intravitale sur la peau et cerveau mais il faut ouvrir le crâne.
i. La lumière, généralités
Pour bien comprendre ce qu’est l’imagerie en biologie il est nécessaire de comprendre la
lumière.
Problème du XXème siècle : lumière dualité onde - corpuscule? Aujourd’hui, on connaît
l’existence de photons mais on ne sait toujours pas si elle est onde ou corpuscule. Finalement, le
choix dépend des cas.
Le comportement ondulatoire apparait avec un certain nombre d’impacts et un nombre
de photons bien définis. Plus les photons sont nombreux, plus le contraste est meilleur, plus on
opte pour le choix du corpuscule. L’aspect granulaire de la lumière est révélé par l’interaction
avec la matière: chaque point correspond à la marque d’un photon. A très faible intensité, les
points semblent se répartir de façon aléatoire sur l’image. Quand l’intensité augmente, le
caractère de quanta disparaît.
Il s’agit toujours d’un paquet de corpuscules (=les quanta) qui va
se propager en vagues. Les ondes propageant les photons sont
caractérisées par une longueur d’onde souvent en nm + une
fréquence en Hz. Relation entre longueur d’onde et fréquence
E=h*=(h*c)/
  est inversement proportionnel à 
ii. Propagation des photons
3 différentes interactions photon/tissu
1. Réflexion : les rayons arrivent sur le tissu et repartent en sens inverse.
2. Absorption : signifie transformer le photon en énergie, le tissu a absorbé de
l’énergie.
3. Transmission : ballistique ou diffusion
-> Ballistique : Le rayonnement traverse le tissu sans effet.
->Diffusion : Il s’agit d’un changement de direction des photons dès leur entrée dans le

tissu cible. C’est l’effet généralement prédominant. On perd en intensité et on diminue de
manière exponentielle. Plus le tissu est dense plus on va avoir du mal a pénétrer dans le
tissu. Problème en imagerie car on se retrouve incapable d’emmener des photons loin dans
le tissu. On ne peut pas travailler en profondeur.
La lumière peut schématiquement s’utiliser de trois manières.
1. La transillumination : émission de photons et recueil de ceux qui traversent les
tissus: Au bout de leur parcours, l’analyse des diverses modifications qu’ils ont subies
dessine une image de la structure interne traversée. (source de lumière et détecteur
du côté opposé)
Ex : lorsqu’on expose un doigt à de la lumière blanche, il
devient rouge. On pourrait penser que c’est à cause du sang
mais ce n’est pas la première raison. Pour qu’il apparaisse
rouge, les seules photons qui vont aller le plus en profondeur
c’est ceux qui correspondent a une certaine couleur, en
l’occurrence qui sont dans le rouge 650nm et au delà. Les
faisceaux sanguins accentuent ce phénomène.
2 et 3. Emission de photons sur un tissu et recueil des photons qui ont été ré-émis par un
mécanisme de réflexion (pas vu en cours) ou ceux émis par un mécanisme de
fluorescence. (source de lumière et détecteur sont placés du même côté)
iii. Transillumination
Technique pas invasive (lumière->innocuité), on peut l’utiliser autant de fois qu’on veut.
La lumière est fortement absorbée dans le tissu donc elle se combine avec d’autres techniques et
ne peut pas prétendre supplanter toutes les autres techniques, c’est un complément. On utilise
une fenêtre de transparence du tissu où on voit le coefficient d’absorption en fonction des
différentes ondes. Ce qui permet de choisir au mieux sa fréquence d’onde.
Fœtus de souris avant et après traitement : souris transparentes. On imagine possible le fait de
rendre transparent des objets.
A l ‘échelle du corps humain, composé de 70% d’eau, la lumière est rapidement absorbée, la
fenêtre de transparence des tissus varie entre 0,6 et 1,2 μm (600 à 1200 nm).