Tomographie optique diffuse résolue en temps : Applications fonctionnelles en neurosciences.

Numéro d’ordre : 4903
Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur
Strasbourg I
Discipline :
Electronique, Electrotechnique, Automatique
Spécialité :
Optique
par
Bruno Montcel
Tomographie optique diffuse
résolue en temps : Applications
fonctionnelles en neurosciences.
Soutenue le 11 octobre 2005
Membres du jury
Directeur de thèse : M. Patrick Poulet, MCU-PH, Université Louis Pasteur, Strasbourg
Rapporteur interne : M. Edouard Hirsch, PU-PH, Université Louis Pasteur, Strasbourg
Rapporteur externe : Mme. Sigrid Avrillier, Professeur, Université Paris 13.
Rapporteur externe : M. Claude Boccara, Professeur, ESPCI, Paris
Examinateur : M. Patrick Meyrueis, Professeur, Université Louis Pasteur, Strasbourg
Examinateur : M. Stéphane Mottin, CR CNRS, Université Jean Monnet, Saint Etienne
Institut de Physique Biologique UMR 7004 ULP/CNRS

Remerciements
Je tiens à remercier les membres du jury, Sigrid Avrillier, Claude Boccara, Edouard Hirsch,
Patrick Meyrueis, Stéphane Mottin et Patrick Poulet d’avoir pris le temps d’évaluer attentivement
mon travail.
Je remercie tout particulièrement mon directeur de thèse, Patrick Poulet, pour son soutien
constant et ses conseils avisés. J'ai pris du plaisir à travailler en sa compagnie, je lui suis
particulièrement reconnaissant pour son accueil chaleureux et pour avoir accompagné ma
découverte du monde de la recherche, contribuant ainsi à l’éclosion d’une passion.
Un grand merci également à Renée Chabrier mon expérimentatrice préférée (et le fait qu'elle
soit la seule n'en est pas la raison) qui non contente d'être la plus gentille (ce qui tout bien réfléchi
est la plus précieuse des qualités) suscite l'admiration scientifique pour son coup de main dans la
confection de fantômes.
Merci à Daniel Grucker de m'avoir accueilli dans son laboratoire et merci à l'ensemble de
l'Institut de Physique Biologique, vous avez tous contribué à rendre ces trois années plus agréables.
Merci aux "ex" du groupe de TOD, Murielle Torregrossa et Virginie Zint pour leurs contributions
dans ces travaux. Un remerciement spécial au 2ème étage, Blandine Guignard, Laura Harsan,
Nathalie Parizel et les autres sans qui les pauses casse-croûte seraient plus ternes. Merci aussi à
Nathalie Heider qui à toujours accepté avec sourire de peaufiner l'anglais dans mes articles même
au dernier moment (c'est à dire le plus souvent). Merci également à Daniel Gounot et aux
informaticiens du 1er étage avec lesquels j'ai pris plaisir à discuter de sciences et d'autres choses.
Merci à Jean-Marie Sommer pour l'aide dans la résolution des problèmes d'ordre mécanique. Merci
enfin à tous ceux que je n'ai pas cités mais que je n'oublie pas.
Merci bien évidemment à l'ensemble de ma famille, qui s'agrandira bientôt ...

Table des matières
Introduction 1
I Optique des milieux biologiques 5
I.1 Propriétés optiques des tissus 6
I.1.1 L’absorption 6
I.1.2 La diffusion 9
I.2 Equation de diffusion 12
I.2.1 Equation du transfert radiatif 13
I.2.2 Approximation de diffusion 14
I.2.3 Solutions de l’équation de diffusion 16
I.2.3.1 Solutions analytiques 16
I.2.3.2 Solutions numériques 17
I.3 Méthodes optiques pour l’imagerie des milieux biologiques 18
I.3.1 Méthodes d’imagerie directe 20
I.3.1.1 Sélection à la détection 21
I.3.1.2 Sélection à l’émission 24
I.3.2 Méthodes de reconstruction d’images 25
I.4 Optique de l’activation cérébrale 27
I.4.1 Anatomie et propriétés optiques de la tête 27
I.4.2 Physiologie de l’activation cérébrale 29
I.4.3 Relation entre l’activité cérébrale et les propriétés optiques 30
I.4.3.1 Absorption : Réponse hémodynamique 30
I.4.3.2 Absorption : Processus énergétiques intra cellulaires 33
I.4.3.3 Diffusion : activité cellulaire 33
II Système expérimental 35
II.1 Choix du comptage de photons unique résolu en temps 36
II.2 Instrumentation 37
II.2.1 Source 38
II.2.2 Détection 39
II.2.3 Interfaces optiques 42
II.2.4 Logiciels d’acquisition 46
II.3 Performances du système 48
II.3.1 Sensibilité et efficacité de détection 48
II.3.2 Réponse impulsionnelle 51
II.3.3 Stabilité temporelle 52