Principes de l’interaction laser - -tissus
3.2 Domaines de r´ esolution
En plus des m´ethodes li´ees au positionnement des sources et d´etecteurs, on dis-tingue trois techniques diff´erentes selon la source de lumi`ere utilis´ee. On parlera ici de r´eflectance (resp. transmittance) r´esolue dans le temps, dans l’espace et dans le domaine fr´equentiel. Nous proposons dans ce paragraphe une br`eve description des trois domaines d’acquisition, l’ensemble des caract´eristiques ´etant r´esum´e sur la Figure3.3.
Spatial Fréquentiel Temporel
Source
Détection
Avantages
Inconvénients
Relation
- Source modulée en intensité à des fréquences radios ( ~100 MHz)
- Détection de l'amplitude et de la phase - PM ou analyseur de spectre
- Diode laser pulsées picoseconde ou laser femtoseconde. Taux de répétition: 50-100 MHz
- Système de comptage de photons corrélés dans le temps (TCSPC) - Caméra à balayage de fente - Caméra rapide intensifiée
- Pénétration des tissus en profondeur - Economique
- Pénétration des tissus en profondeur - Riche en information
- Sensibilité performante
- Limité en fréquence, dépendant de l'avancée technologique en HF
- Acquisition lente - Système onéreux - Source continue en intensité
- Lumière blanche filtrée ou monchromatique
- Détecteur ponctuel : PMT ou photodiode - Caméra CCD refroidie
- Simple et économique - Acquisition rapide
- Peu d'information
- Sensible au couplage de fibre
Composante continue Transformée de Fourier
Intégration par rapport au temps
Fig. 3.3 – Caract´eristiques des syst`emes de mesure pour la tomographie optique diffuse et la tomographie de fluorescence selon la source de lumi`ere utilis´ee : continue en intensit´e (domaine spatial), modul´ee en intensit´e (domaine fr´equentiel), impulsionnelle (domaine temporel).
3.2.1 Syst`eme continu en intensit´e
Les premiers syst`emes a ˆetre d´evelopp´es en optique biom´edicale, sont ceux utilisant une source continue en intensit´e (Continous wave : CW en anglais). Cette source peut ˆetre une lumi`ere blanche filtr´ee ou une lumi`ere monochromatique. L’intensit´e r´etrodiffus´ee ou trans-mise se mesure grˆace `a un PMT (Photo Multiplicateur Tube) ou une simple photodiode [111,112]. L’intensit´e mesur´ee en un point `a la surface du tissu ´etudi´e d´epend uniquement de l’att´enuation de la lumi`ere excitatrice `a la travers´ee du milieu (Figure3.4(a)). A cause du fort pouvoir diffusant des tissus biologiques, la lumi`ere suit des chemins complexes entre le point d’illumination et le point de d´etection, il devient alors extrˆemement difficile
3.2. Domaines de r´esolution
d’extraire des informations sur la distribution des propri´et´es optiques du milieu explor´e `
a partir d’une unique mesure d’att´enuation de l’intensit´e lumineuse. Il convient donc de faire varier la distance r entre la source et le r´ecepteur sur le tissu ´etudi´e et d’analyser la variation de l’att´enuation. Bien que les mesures fournissent peu d’informations utiles et soient extrˆement sensibles au couplage des fibres optiques en surface, les syst`emes continus en intensit´e restent les plus simples et les plus ´economiques `a adopter.
I0 Intensité t I Tissus biologiques IAC0 Intensité (ω), φAC0(ω) IAC(ω), φAC(ω) t Intensité t I0 I(t) (a) (c) (b)
Fig. 3.4 – Illustration des principes d’imagerie optique selon la source d’excitation uti-lis´ee : (a) source continue en intensit´e, (b) source modul´ee en amplitude et (c) source impulsionnelle. Pour chaque technique, les sch´emas de gauche repr´esentent l’intensit´e lu-mineuse incidente illuminant les tissus biologiques et les sch´emas de droite repr´esentent l’intensit´e lumineuse mesur´ee `a la surface du milieu.
3.2.2 Mesure modul´ee en amplitude
Une deuxi`eme technique de mesure consiste `a illuminer le milieu `a explorer par une source modul´ee en intensit´e (Frequency domain photon migration : FDPM en anglais) [113–
117]. Le signal d’excitation est sinuso¨ıdal et modul´e `a des fr´equences variant g´en´eralement de 30 MHz `a 200 MHz [65]. Par ses propri´et´es optiques, le milieu va att´enuer l’amplitude de l’onde d’excitation et le signal mesur´e apr`es propagation `a travers le milieu va subir un d´ephasage par rapport au signal incident (Figure 3.4(b)). Les syst`emes de d´etection uti-lisent des photomultiplicateurs ou des analyseurs de spectres afin de r´ecolter l’amplitude et la phase du signal mesur´e `a la surface du milieu. Une ´etude pour des hautes fr´equences permettraient d’obtenir des informations prometteuses. Les sources modulables actuelle-ment disponibles sont capables de supporter des fr´equences de modulation de l’ordre de
Chapitre 3. Syst`emes de mesures optiques
1 GHz [118]. Cependant, elles restent tr`es on´ereuses, exigent un contrˆole strict du courant d’alimentation, une stabilisation en temp´erature et induisent un bruit important sur les signaux [119].
3.2.3 Acquisition r´esolue en temps
Les syst`emes d´evelopp´es pour une acquisition r´esolue en temps (Time-domain photon migration : TDPM en anglais) n´ecessitent une source laser d’une impulsion pico- ou fem-toseconde avec un taux de r´ep´etition de 50 `a 100 MHz [120,121]. Les signaux recolt´es `a la surface du milieu sont att´enu´es par le milieu. Lorsque la lumi`ere d’excitation interagit avec des mol´ecules fluorescentes, le signal de fluorescence d´etect´e est d´ecal´e en temps par rapport au signal incident (voir Figure 3.4(c)). Ce d´ecalage temporel repr´esente le “temps de vol” des photons et la d´ecroissance cin´etique de fluorescence. Les mesures peuvent se faire `a l’aide d’un syst`eme de comptage de photons corr´el´es dans le temps (Time Correla-ted Single Photon Counting : TCSPC en anglais) ou par une cam´era `a balayage de fente [122] avec une r´esolution temporelle d’au moins 1 ps [65]. Les techniques de r´esolution temporelle offrent l’avantage de fournir un plus grand nombre d’informations structurelles et informelles que les autres techniques (CW et FDPM). En effet, elles permettent par exemple des analyses `a de tr`es hautes fr´equences et une mesure directe du temps de vie des fluorophores.