Imagerie médicale : les techniques photoniques - E2Phy

Imagerie médicale :
les techniques photoniques de l'UV aux IR Serge MORDON
Pavillon Vancostenobel, CH&U de Lille
EA 2689 - Inserm IFR 114, Lille
mél : mordon@lille.inserm.fr
Les techniques photoniques offrent aujourd'hui une approche performante en
imagerie médicale. La lumière peut schématiquement s'utiliser de trois
manières : i) émission de photons et recueil de ceux qui traversent les
tissus, ii) envoi de lumière sur un tissu et recueil des photons qui sont
été ré-émis par un mécanisme de réflexion ou iii) ceux émis par un
mécanisme de fluorescence. L'imagerie par transillumination est
principalement utilisée pour la mammographie optique. L'imagerie de
fluorescence est bien adaptée pour la détection précoce de tumeurs. La
tomographie par cohérence optique (OCT) offre des performances uniques en
terme de résolution spatiale.
Mots clefs : lumière, photon, image médicale, transillumination,
fluorescence, tomographie
Introduction
Longtemps, l'accès à l'intérieur du corps humain a nécessité un acte
chirurgical. Pour qu'un regard exercé puisse observer un organe, c'est-à-
dire que la lumière réfléchie par l'organe puisse être analysée par un ?il
humain, il fallait faire usage du bistouri. Grâce au développement des
fibres optiques, nombre d'actes invasifs ont été éliminés. Par
l'intermédiaire de l'endoscope, tout se passe comme si l'?il du médecin
était transporté au sein des organes. Le moyen est spectaculairement
efficace et a bouleversé nombre de pratiques médicales. Mais il ne donne
pas accès à des caractéristiques des tissus qui, du point de vue de la
lumière, soient différentes de celles qui sont simplement analysables par
l'?il.
En revanche, des objets qui, à l'?il nu, demeureraient invisibles,
sont révélés par plusieurs méthodes non invasives qui, selon les cas, font
appel à des principes physiques forts différents : rayons X, résonance
magnétique nucléaire, ultrasons ou émission de positons. Dans cette palette
d'outils d'imagerie, la lumière s'est jusqu'à présent signalée par son
absence : les photons de longueurs d'onde du visible ou du proche visible
étaient inutilisables à cet effet. Mais, sous l'impulsion de progrès dans
la technologie des sources de lumière et des détecteurs, la situation
évolue rapidement.
La lumière offre un avantage considérable sur les rayons X : son
innocuité. Cette propriété physique entraîne des conséquences potentielles
évidentes : simplicité de mise en ?uvre des appareils, possibilité de
renouveler l'examen sans risque, etc. Mais ne rêvons pas : à cause de sa
forte absorption par les tissus biologiques, la lumière ne peut prétendre
supplanter toutes les techniques existantes. Aujourd'hui, elle est
considérée comme un complément utile, et seulement dans certains cas, un
concurrent sérieux. Il est d'ailleurs difficile de parier sur le succès des
diverses filières. Dans les laboratoires de recherche, l'heure est encore
au foisonnement des principes techniques. Plusieurs applications ont
suscité l'élaboration de prototypes, quelques-uns ont atteint le stade de
l'évaluation clinique ; enfin certains ont conduit à de véritables
appareils médicaux qui sont progressivement mis en ?uvre dans les hôpitaux.
Pour obtenir des informations sur la présence de tumeurs dans des
tissus biologiques, la lumière peut schématiquement s'utiliser de trois
manières. La première consiste à émettre des photons et à recueillir 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 : l'ensemble des techniques fondées sur ce principe très général
est regroupé sous le nom d'imagerie optique d'organes par
transillumination. Mais on peut aussi, après l'envoi de lumière sur un
tissu, recueillir les photons qui auront été ré-émis par un mécanisme de
réflexion ou ceux émis par un mécanisme de fluorescence. Dans ces deux cas,
source de lumière et détecteur sont placés du même côté du tissu.
Imagerie par transillumination
Avant d'entrer dans le détail de l'imagerie par transillumination,
introduisons quelques notions fondamentales sur la propagation de la
lumière dans les tissus. Le sort d'un photon incident peut être triple.
Première possibilité (sans aucun intérêt du point de vue de la
transillumination), le photon est réfléchi par la surface du tissu.
Deuxième possibilité : il est absorbé à l'intérieur du tissu, c'est-à-dire
qu'en cédant son énergie au milieu, il disparaît en tant que photon. Enfin,
troisième possibilité, il est diffusé lors de son parcours au sein du
tissu : en effet, la probabilité qu'il ne rentre pas en collision avec les
molécules du milieu et qu'il poursuive une trajectoire rectiligne est très
faible ; plus nombreuses sont les modifications de trajectoire, plus grande
est la diffusion. Enfin, mentionnons que l'importance des trois phénomènes
dépend fortement, d'un part, de la nature du tissu et, d'autre part, de la
longueur d'onde du photon.
Pour faire de l'imagerie d'organes, il faut évidemment pénétrer en
profondeur les tissus, donc choisir une longueur d'onde peu absorbée. C'est
le cas des longueurs d'onde situées dans le rouge et le proche infrarouge :
une « fenêtre optique » s'ouvre ainsi entre 600 nm et 1 300 nm (figure 1).
Pour s'en convaincre, il suffit de regarder sa main placée devant une
ampoule électrique allumée : seul, le rouge « passe », les autres couleurs
sont absorbées.
Le phénomène de diffusion, quant à lui, entraîne rapidement une perte
de cohérence de la lumière émise par la source. Autrement dit, le détecteur
ne sait plus d'où viennent les photons qui lui parviennent : l'image est
floue et inutilisable. La diffusion augmentant naturellement avec
l'épaisseur, la transillumination s'est trouvée longtemps limitée à des
structures tissulaires ne dépassant pas quelques millimètres. Ce n'est plus
le cas aujourd'hui : plusieurs techniques, reposant sur des principes
différents, autorisent la constitution d'images correctes sur quelques
centimètres d'épaisseur [1].
[pic]
Figure 1 : Spectres d'absorption de différents chromophores présents dans
les tissus biologiques. (illustration de l'auteur)
La première consiste à diviser la surface à explorer, celle d'un sein
pour une mammographie par exemple, en petits carrés de 1mm par 1mm. Un
faisceau laser de petit diamètre (un faisceau « collimaté ») balaie cette
surface, pendant qu'un détecteur placé de l'autre côté du sein effectue le
même déplacement. En chacun des petits carrés, une mesure est réalisée. Une
autre technique développée par Philips consiste à utiliser un illuminateur
constitué de multiple fibres d'excitation et de recueil. Le balayage
mécanique du faisceau est remplacé par l'arrangement de multiples fibres
optiques, utilisées alternativement à la fois pour l'illumination et, en
face opposée, pour le recueil des photons (figures 2a, 2b) [2].
[pic] Figure 2a : Illuminateur pour mammographie optique développé par la
Société Philips. [pic] Figure 2b : Système de mammographie développé par la Société Philips.
L'avantage d'une telle méthode, par ailleurs coûteuse en temps de
mesure, s'apprécie sur la diffusion : en effet, on conçoit que celle-ci
soit proportionnelle au nombre de molécules que peuvent rencontrer les
photons dans leur parcours, c'est-à-dire au volume de tissu illuminé. En
illuminant à chaque fois un petit volume, on réduit d'autant l'effet de la
diffusion. Il suffit ensuite, pour constituer une image globale,
d'assembler les mesures individuelles à la fin du balayage. Si le contraste
obtenu n'est pas suffisant, il est encore possible de réaliser une mesure
supplémentaire, à l'aide d'une source lumineuse d'une autre longueur
d'onde. L'atténuation du faisceau étant variable en fonction de la longueur
d'onde, on augmente ainsi les chances d'obtenir assez d'informations pour
détecter la présence d'une tumeur et en tracer des contours précis (figure
3). C'est la solution retenue par les sociétés développant aujourd'hui de
tels systèmes. Ainsi, Hamamatsu, qui a développé le premier appareil de
mammographie optique sur ce principe, utilise deux longueurs d'onde (830nm
et à 630 nm) [3]. Siemens a recours à 4 longueurs d'onde (690nm, 750nm,
788nm et 856nm).
Chez Mediphotonics Laboratory, on met en ?uvre un principe totalement
différent qui, pour limiter la diffusion, ne réduit pas la taille du
faisceau [4]. Ici, l'idée consiste à jouer sur le « temps de vol » des
photons illuminant une surface relativement large. En effet, les photons,
pénétrant au même instant sur une face d'un organe, ne se propagent pas
dans le tissu selon des trajectoires parallèles et identiques. Par
conséquent, ils n'atteignent pas le détecteur sur la face opposée en même
temps. Schématiquement, on peut distinguer trois types de photons. Les
premiers, les photons dits « balistiques », se propagent en ligne droite et
parviennent donc les premiers sur le détecteur. On sait qu'ils sont rares,
mais on peut [pic]
Figure 3 : Cette technique consiste à émettre des photons à l'aide d'un
laser et à recueillir puis analyser ceux qui ont traversé les tissus.
L'image (a) prise en