Instrumentation optique

a l’ICG afin d’effectuer les premiers tests. D’apr`es les r´esultats, les cibles les plus efficaces sont la vermiculite et les billes d’Albumine activ´ee. Toutefois, la forme des billes d’albumine (sph`eres dont le diam`etre varie de 1 `a 3 mm) est plus appropri´ee `a notre ´etude. De plus, leur capacit´e d’absorption est plus forte. Cette propri´et´e est essentielle afin de contenir efficacement le fluorophore en son sein lorsque l’inclusion est ins´er´ee dans la matrice de gel d’Agar.

D.1.4 Bilan

La premi`ere phase des travaux a permis de r´ealiser des fantˆomes biologiques et d’´evaluer leurs performances. Les ´etudes ont abouti aux conclusions suivantes : le fantˆome le plus adapt´e pour nos mesures exp´erimentales est constitu´e de gel d’Agar dans lequel est intro-duite une bille d’albumine contrast´ee par de l’Indocyanine Green (ICG). Ces premiers fantˆomes ont pu ˆetre ´etudi´es grˆace `a la mise en place d’un premier prototype (banc exp´erimental) fonctionnant dans le domaine continu avec un puissance-m`etre classique. Les diff´erentes mesures ont permis d’´etablir les premi`eres conclusions sur l’influence de la pro-fondeur d’une tumeur fluorescente ins´er´ee dans un milieu tissulaire. Les exp´erimentations ayant abouti aux conclusions mentionn´ees ci-dessus sont d´ecrites en d´etails dans [275].

D.2 Instrumentation optique

D.2.1 El´ements de la chaˆıne de mesure

Un dispositif de mesure de signaux de fluorescence r´esolus dans le temps est en cours de r´ealisation. Il comporte essentiellement une diode laser puls´ee picoseconde ´emettant `a 785 nm (10 mW, 50 MHz, Becker & Hickl, BHLP700 ), un photomultiplicateur (PMC) `

a syst`eme de refroidissement (Becker & Hickl, PMC-100-20) et un module d’acquisition TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting, Becker & Hickl, Simple-Tau-140).

La Figure D.3 montre le sch´ema global de la chaˆıne d’acquisition TCSPC. Une diode laser envoie un faisceau lumineux focalis´e sur un prisme qui le renvoie perpendiculairement sur milieu diffusant. La lumi`ere est collect´ee par un faisceau de fibres (Newport, 777-1) plac´e devant un photomultiplicateur. Le syst`eme de mesure utilise une carte `a comptage de photon unique pour exploiter le signal du photomultiplicateur et g´en´erer les courbes temporelles.

Annexes

Fig. D.3 – Sch´ema de la chaˆıne d’acquisition.

Le PMC-100-20 est id´eal pour notre ´etude car sa bande de longueurs d’ondes est com-prise entre 300 et 900 nm. C’est un photomultiplicateur avec un syst`eme thermo´electrique de refroidissement int´egr´e par effet Peltier. Il est directement aliment´e par la carte SPC. Le PMC est utilis´e avec une cathode sensible au proche infrarouge. Il a un temps de r´eponse tr`es stable `a un taux de comptage ´elev´e. Le g´en´erateur `a haute tension et le pr´eamplificateur (32 ∗ 38 ∗ 92 mm) sont int´egr´es dans le d´etecteur. Un filtre passe-haut est plac´e entre le PMC et l’extr´emit´e du faisceau de fibres r´eceptrices. Il s’agit d’un filtre passe-haut 830 nm permettant d’´eviter le recouvrement des spectres de fluorescence et de la raie du laser excitateur (Newport, 10FL20-830, centr´e sur 830 nm ± 20 nm). Le prototype de la chaˆıne de comptage contient ´egalement trois platines de translation (50 mm, M-UMR, Micro-Contrˆole) facilitant la manipulation. L’ensemble est fix´e sur un nid d’abeille parfaitement stable (voir Figure D.4).

Annexes

D.2.2 Principe et contrˆole du TCSPC

Les paragraphes suivants abordent le principe de fonctionnement du TCSPC, ainsi que son architecture et le contrˆole de ses param`etres (extraits de [276]).

La technique de comptage de photons corr´el´es dans le temps est bas´ee sur la d´etection de photons uniques au cours d’une p´eriode, la mesure des temps de d´etection et la recons-truction du profil sur un intervalle de temps. Les techniques TCSPC consid`erent que pour un taux de r´ep´etition du signal source ´elev´e, l’intensit´e lumineuse est suffisamment faible pour que la probabilit´e de d´etecter plus d’un photon sur une p´eriode est n´egligeable. Le principe est illustr´e sur la figureD.5.

Séquence d'impulsion excitatrice, Taux de répétition : 80 MHz

Signal détecté par oscilloscope Signal fluorescent (attendu)

100 ns (a)

(b)

(c)

Fig. D.5 – Signal fluorescent g´en´er´e par une impulsion excitatrice avec un taux de r´ep´etition de 80 MHz (adapt´e de [276]).

La figure D.5(a) pr´esente le train d’impulsion excitatrice `a un taux de r´ep´etition de 80 MHz. Le profil de fluorescence attendu lors de l’illumination d’un ´echantillon fluorescent est illustr´e sur la FigureD.5(b). La FigureD.5(c) montre le signal r´eellement mesur´e par oscilloscope selon la technique TCSPC. Il s’agit de pics al´eatoirement distribu´es le long de l’axe des temps. Chaque pic indique la d´etection d’un seul photon du signal fluorescent. Le TCSPC ignore la d´etection de plusieurs photons sur une p´eriode. Le principe est illustr´e par la Figure D.6. Au bout de plusieurs p´eriodes, un grand nombre de photons a ´et´e d´etect´e et la distribution temporelle du profil de fluorescence peut ˆetre reconstruite sous forme d’histogramme (voir FigureD.6).

Annexes Profil original Temps Signal détecté N° période 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 N Profil après plusieurs détections

Fig. D.6 – Principe du TCSPC (adapt´e de [276]).

Pulsations de référence Source excitatrice Préamplificateur Pulsations de détection d'un unique photon Détecteur Seuil Zéro Cross Seuil Zéro Cross Range Gain Offset Start Stop Adresse (temps) Histogramme Contrôles Mémoire AMP ADC TAC CFD CFD

CFD : constant fraction discriminator TAC : time-to-amplitude converter AMP : amplificateur

ADC : analog to digital converter

Annexes

La Figure D.7 pr´esente l’architecture d’un TCSPC. Tout d’abord, le PMC d´etecte l’arriv´ee des photons sous la forme d’impulsions. L’amplitude des impulsions peut varier consid´erablement. Aussi, un CFD (constant fraction discriminator : CFD en anglais) sert de discriminateur assurant le rejet des signaux qui sont en dessous d’un seuil pr´ealablement fix´e. Un second CFD est utilis´e comme r´ef´erence temporelle bas´ee sur l’impulsion de la source. Les sorties des CFD sont utilis´ees comme impulsion de d´ebut et impulsion de fin des convertisseurs temps-amplitude (time-to-amplitude converter : TAC en anglais). Le TAC g´en`ere alors un signal proportionnel au temps ´ecoul´e entre l’impulsion initiale et l’impulsion finale. Le TAC est simplement compos´e d’un g´en´erateur en intensit´e qui s’enclenche sous l’effet des impulsions et charge un condensateur. La tension finale aux bornes du condensateur repr´esente le temps d’arriv´ee du photon. Ce principe est efficace pour des diff´erences de temps de l’ordre de quelques picosecondes. L’amplitude de sortie du TAC est ensuite amplifi´ee par un amplificateur biais´e (biaised amplifier : AMP en anglais) et transmise au convertiseur analogique num´erique (analog to digital converter : ADC en anglais). La sortie est alors l’adresse allou´ee en m´emoire au temps de d´etection du photon. Le logiciel adapt´e au module Simple-Tau-140 propose une interface de param`etrage (voir FigureD.8) afin de reconstruire le profil de fluorescence comme illustr´e sur la figure D.6.