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Tomographie par optique diffuse (TOD)
La tomographie consiste à créer un volume pour un objet à partir de différentes coupes de ce même objet. Cette technique est grandement utilisée dans le domaine de l’imagerie médical notamment pour le scanner à rayons X. Elle présente l’avantage d’être non destructive du fait qu’elle n’est pas intrusive. Par exemple, lors d’un examen osseux, afin de déterminer s’il y’a eu rupture ou pas, les ondes vont l’indiquer sur la radio à travers un jeu de couleurs ; Blanc veut dire que les rayons sont arrêtés (dans le corps humain, les os sont principalement responsables de ce phénomène) et noir caractérise le fait que toute l’énergie a été transmise.
Depuis l’ère du multimédia, la technologie a permis d’améliorer la tomographie grâce à la numérisation. Selon la partie qu’on va examiner, on peut appliquer le filtre adapté. Par exemple, on utilise un filtre passe-bas pour observer une région anatomique alors qu’on applique le filtre de Ram-Lak pour l’observation d’un point précis.
Contrairement à la tomographie, la tomographie par optique diffuse (TOD) utilise des rayonnements autres que les rayons X. Les tissus humains ont tendance à ne transmettre que des ondes proche de l’infrarouge [1]. C’est pourquoi, les rayons sont proches du spectre visible, limites dans l’infrarouge. La bande spectrale incluant le rouge et le proche de l’IR, s’étend de 600 nm à 1000 nm (fenêtre thérapeutique)[2]. Cette propriété peut être vérifiée en fermant les yeux et en plaçant une lumière devant soi (attention à ne pas utiliser une lumière trop puissante). Sachant que la longueur d’onde dans l’IR est plus grande que les rayons X, cette technique est moins énergétique et permet une exploration plus en profondeur.
Dans l’imagerie médicale, on distingue deux différents types d’imagerie :
- L'imagerie médicale conventionnelle, également appelée anatomique ou structurale le plus souvent utilisée en médecine regroupe la radiologie traditionnelle dite radiologie X, le scanner ou Tomodensitométrie X (TDM), l'Echographie, et l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Ces techniques permettent d'obtenir des informations sur la STRUCTURE des organes, leur forme, leurs limites, et dans certains cas leur contenu (structures osseuses, calculs vesicaux).
- les techniques d'imagerie fonctionnelle s'intéresseront à la FONCTION des organes, des tissus ou des cellules, c'est-à-dire à leur METABOLISME. Les techniques d'imagerie fonctionnelle sont la scintigraphie, le PETSCAN, et certaines études d'IRM, dite IRM fonctionnelle.
Dans ce contexte, la TOD reprend des techniques de la tomographie classique (imagerie anatomique) pour les utiliser dans le domaine de l’imagerie fonctionnelle car les propriétés optiques des tissus humains sont très sensibles à l’oxygénation et aux variations de la composition des tissus. C’est pourquoi, la TOD est très utilisée dans la cancérologie.
PRINCIPES
La TOD repose sur les phénomènes physiques suivants :
- la réfraction. La réflexion de la lumière à l’interface entre deux milieux est due à la différence d'indice de réfraction entre ces milieux. L’indice de réfraction, n, est défini comme le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à sa vitesse dans le milieu traversé [3]. Dans les milieux biologiques, cet indice de réfraction varie très peu d’un tissu à un autre. Il dépend essentiellement de la teneur en eau de ces tissus. L’indice de réfraction moyen dans les tissus biologiques est d’environ 1,40. Cet indice varie entre 1,33 indice de réfraction de l’eau et 1,50 pour un tissu déshydraté [4][5].
- l’absorption. L’absorption des rayonnements par les tissus biologiques dépend de sa composition moléculaire. A l’échelle atomique, l’absorption de lumière visible ou PIR est dictée par la physique quantique et associée à la correspondance entre l’énergie des photons qui la composent et les différences d’énergie des électrons sur leurs orbitales moléculaires. Ainsi, une molécule absorbe un photon de fréquence ν quand l’énergie de ce photon, hν, h étant la constante de Planck de valeur 6,62.10-34 J.s, correspond à l’énergie d’une transition électronique, et vibrationnelle, de cette molécule. L’énergie incidente hν est absorbée par la molécule. Cette énergie peut ensuite être partiellement réémise sous forme d’un photon de fluorescence, ou provoquer, via un transfert d’énergie sur des états excités métastables, la production de radicaux libres et induire une réaction photochimique et/ou l’émission d’un photon de phosphorescence. Le plus souvent, cette énergie est totalement dissipée sous forme de chaleur dans les tissus.
- la diffusion. La diffusion optique résulte d’une interaction de la lumière avec la matière dans laquelle la direction du rayonnement incident est modifiée par des hétérogénéités présentes dans le milieu et constituant des ruptures d’indice de réfraction. La diffusion résulte de plusieurs mécanismes complémentaires : réflexion et réfraction sur ces interfaces, diffraction des faisceaux… La diffusion de lumière joue un rôle important dans la distribution spatiale des photons et de l'énergie dans les tissus. Lorsque la lumière est peu absorbée, comme c’est le cas dans la fenêtre thérapeutique du PIR, la pénétration en profondeur du faisceau est fortement limitée par ce phénomène de diffusion.
²
Grâce à ces différents phénomènes, la TOD apporte une richesse d’informations spectroscopiques. Par exemple, on pourra distinguer un tissu sain d’un tissu lésé du fait de leurs propriétés.
Tableaux récapitulatifs de quelques propriétés mesurées ex-vivo
| Tissu | Coefficient d'absorption µa(mm-1) | Coefficient de diffusion réduit µs' (mm-1) |
|---|---|---|
| Sang: artère (98%, 2mmol/L)
(Hillman 2002) |
0.398(800 nm) | 1 (800 nm) |
| Sang: veine (75%, 2mmol/L)
(Hillman 2002) |
0.396 (800 nm) | 1 (800 nm) |
| Sang partiellement oxygéné (Cheong et al, 1990) | 1.55 (760 nm) | 0.79 (760 nm) |
| Matière grise adulte
(Cheong et al, 1990) |
0.27 ± 0.02 (632.8 nm) | 2.06 ± 0.2 (632.8 nm) |
| Matière blanche adulte
(Cheong et al, 1990) |
0.22 ± 0.02 (632.8 nm) | 9.1 ± 0.5 (632.8 nm) |
| Os (crâne)
(Firbank et al, 1993) |
0.025 (800 nm) | 1.8 (800 nm) |
| Peau: épiderme
(Simpson et al, 1998) |
0.008 (800 nm) | 1.2 (800 nm) |
| Muscle
(Simpson et al, 1998) |
0.03 (800 nm) | 0.7 (800 nm) |
| Sein (glandulaire)
(Cheong et al, 1990) |
0.05 ± 0.01 (700 nm) | 1.4 ± 0.3 (700 nm) |
| Sein (adipose)
(Cheong et al, 1990) |
0.07 ± 0.01 (700 nm) | 0.9 ± 0.1 (700 nm) |
APPLICATIONS
- Dépistage du cancer du sein [6]
- Activité cérébrale et connectivité cérébrale [7]
- Analyse du métabolisme des rats [8]
Bibliographie
http://moodle.insa-lyon.fr/file.php/862/XrayTransmission_MaxLanger.pdf
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00658285/document (thèse de Farouk Nouizi)
Principe de la tomographie électrique (thèse de Céline Rentier)
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00473766 (thèse de Nicolas Ducros
Voir aussi
Fluorescence
Références
- Ntziachristos V., Ripoll J, Wang L, Weissleder R., « Looking and listening to light : the revolution of photonic imaging », Nat. Biotechnol., 23, 313-320, (2005)
- Parrish J. A., « New concepts in Therapeutic Photomedecine ; Photochemistry, Optical Targetting and the Therapeutic window », J. Investig. Med., 77, 45-50, (1981)
- Kwan A., Dudley J. M., Lantz E.,“Who really discovered Snell's law?”, Physics World, 15 , 64-84, (2002).
- Piket-May M., Taflove A.,“Electrodynamics of Visible-Light Interactions with the Vertebrate Retinal Rod”, Opt. Lett., 18, 568-570, (1993).
- Bolin F. P., Preuss L. E., Taylor C., Ference R. J.,“Refractive index of some mammalian tissues using a fiber optic cladding method”, Appl. Opt., 28, 2297-2303, (1989).
- HEBDEN, Jeremy C., ARRIDGE, Simon R., et DELPY, David T. Optical imaging in medicine: I. Experimental techniques. Physics in medicine and biology, 1997, vol. 42, no 5, p. 825.
- WHITE, Brian R., SNYDER, Abraham Z., COHEN, Alexander L., et al. Resting-state functional connectivity in the human brain revealed with diffuse optical tomography. Neuroimage, 2009, vol. 47, no 1, p. 148-156.
- CULVER, Joseph P., DURDURAN, Turgut, FURUYA, Daisuke, et al. Diffuse optical tomography of cerebral blood flow, oxygenation, and metabolism in rat during focal ischemia. Journal of cerebral blood flow & metabolism, 2003, vol. 23, no 8, p. 911-924.