Moyens utilis´es pour la biopsie optique

L’engouement pour la r´ealisation de syst`emes de biopsie optique a permis l’´emergence de plusieurs technologies d’imagerie m´edicale performantes, miniatures, tridimensionnelles, `a haute r´esolution, etc. La litt´erature nous propose plusieurs m´ethodes, qui peuvent ˆetre regroup´ees sui-vant deux applications. Premi`erement, les m´ethodes de marquage utilis´ees pour une d´etection et une d´elimitation de la zone tumorale. Deuxi`emement, les m´ethodes d’imagerie microscopique fond´ees pour la plupart sur les propri´et´es optiques d’´echantillon biologique. Elles sont utilis´ees pour construire des images de r´esolution microscopique de la zone d’´etude[Kiesslich et al., 2007].

lumière d'excitation Autofluoréscence

(a) (b) (c)

Figure 2.3 – Exemple d’image d’auto-fluorescence : (a) principe de fonctionnement de l’auto-fluorescence sur la couche sous-´epith´eliale, (b) image m´edicale sans auto-l’auto-fluorescence et (c) image m´edicale avec auto-fluorescence[Filip et al., 2011].

2.1.2.1/ M´ethodes de marquage

Ces technologies s´eparent une zone saine et une zone suspecte et d´elimitent la surface fronti`ere.

Elles jouent le rˆole de d’indicateur de position des r´egions canc´ereuses pour une ´eventuelle biopsie ou traitement. Dans la litt´erature, nous retrouvons trois m´ethodes pour faire du marquage :

— Auto-fluorescence : l’objectif de cette technique est la diff´erentiation entre des l´esions malines et celles b´enignes d’un tissu observ´e comme l’illustre la figure 2.3. Elle est fond´ee sur l’´emission de photons par certaines prot´eines lorsqu’elles sont excit´ees `a des longueurs d’onde sp´ecifiques (par exemple : la lumi`ere bleue d’une longueur d’onde de 390 `a 470nm)[Haringsma et al., 2001, Filip et al., 2011]. Cette longueur d’onde excite les prot´eines (marqueurs) pr´esentes dans les couches sous-´epith´eliales produisant deux types de r´eponses : une couleur verte lorsque cette zone est saine et une couleur magenta lorsque la zone est pathologique.

— Imagerie par bande ´etroite (Narrow Band Imaging (NBI)) :cette technique utilise les propri´et´es de diffraction et d’absorption de la lumi`ere blanche par les tissus biologiques.

Ainsi, elle utilise deux longueurs d’onde diff´erentes pour mettre en ´evidence deux couches distinctes du tissu[Kara et al., 2005, Sharma et al., 2006]. La premi`ere longueur d’onde, de couleur bleue (415nm) donne des informations sur la partie superficielle du tissu. La deuxi`eme longueur d’onde de couleur verte (540nm) p´en`etre plus en profondeur comme le montre la figure2.4(a). Finalement, l’image, acquise par le syst`eme, fait ressortir le r´eseau capillaire de la sous-muqueuse permettant ainsi d’observer la densification de ce r´eseau par angiogen`ese au voisinage des tumeurs canc´ereuses[Dremel, 2013](figure2.4(c)).

— Imagerie chromatique : `a l’inverse des deux premi`eres approches, l’imagerie chroma-tique combine l’opchroma-tique (c.-`a-d., la cam´era) et la chimie (c.-`a-d., un marqueur biochi-mique actif) pour localiser la zone pathologique. En effet, le marqueur biochibiochi-mique r´eagit diff´eremment sur un tissu pathologique par rapport `a un tissu sain, comme le montre la figure 2.5 [Kara et al., 2005, Filip et al., 2011]. De plus, d’autres travaux d’am´elioration combinent cette m´ethode avec l’approche NBI pour mieux d´elimiter sur plusieurs couches tissulaires la zone suspect´ee[Nguyen-Tang et al., 2011].

2.1 Biopsie optique

lumière d'excitation verte

lumière d'excitation bleu

(a) (b) (c)

Figure2.4 – Exemple d’image par bande ´etroite (NBI) : (a) principe de fonctionnement de la NBI sur la muqueuse de l’œsophage, (b) image m´edicale sans application de la NBI sur un tissu d’œso-phage et (c) image m´edicale avec application de la NBI sur un tissu d’œsod’œso-phage[Kara et al., 2005].

(a) (b)

Figure2.5 – Exemple d’image m´edicale : (a) image d’endoscopie conventionnelle sans marqueur (b) image chromatique avec marqueur[Kara et al., 2005].

0

1

2

3

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 nm

mm muqueuse

sous muqueuse

Figure2.6 – P´en´etration de la longueur d’onde dans un ´echantillon[Wang and Van Dam, 2004].

2.1.2.2/ M´ethodes d’imagerie microscopique

Les m´ethodes d’imagerie microscopique offrent la possibilit´e d’avoir des images de tr`es haute r´esolution, proches des coupes histologiques utilis´ees en biopsie conventionnelle, grˆace aux pro-pri´et´es optiques (longueur d’onde) du signal d’excitation. Ainsi, suivant la longueur d’onde de la source de lumi`ere utilis´ee, une profondeur de p´en´etration de la lumi`ere est atteinte (figure 2.6).

Parmi ces m´ethodes nous pouvons citer les m´ethodes ´emergentes :

— Endocytoscopie : c’est une m´ethode qui permet d’obtenir des images de r´esolution mi-croscopique. Elle offre la possibilit´e d’analyser un tissu biologique `a l’´echelle cellulaire.

Cependant, elle permet d’imager uniquement la partie superficielle. Cela est dˆu `a l’utilisa-tion du principe de microscopie optique de contact qui utilise : un focus fixe, et une len-tille objectif haute puissance qui projette les images `a fort grandissement de l’´echantillon [Neumann et al., 2011, Fujishiro et al., 2008].

— Tomographie photo-acoustique :la photo-acoustique, aussi appel´ee opto-acoustique, est introduite pour la premi`ere fois par Alexandre Graham Bell en 1880. Graham Bell a re-marqu´e, que les ondes ´electromagn´etiques absorb´ees par un milieu g´en`erent des ondes sonores. Bien que ce ph´enom`ene est connu depuis longtemps, sa d´emonstration sur les milieux tr`es diffus n’a ´et´e d´emontr´ee qu’en 1994 par Kruger. Cette technique d’imagerie fournit une r´esolution ´elev´ee des tissus biologiques. Elle se base sur deux effets physiques : les photons et les ultrasons. Ainsi, des impulsions laser sont envoy´ees sur un ´echantillon biologique. Une partie de celles-ci est convertie en chaleur, entraˆınant un r´egime transitoire produisant l’´emission d’ultrasons. Finalement, ces ultrasons sont mesur´es pour former des images (figure2.8)[Xia et al., 2014, Beard, 2011].

assemblage de micro-lentilles

échantillon source de lumière blanche

fibre optique

faisceau de fibre optique Caméra

CCD

(a) (b)

Figure2.7 – Technique d’imagerie par endocytoscopie : (a) principe de fonctionnement de l’en-docytoscopie[Hughes et al., 2013]et (b) image endocytoscopie[Inoue et al., 2004].

impulsion

laser absorption expansion

thermique

onde acoustique détection

ultrason formation

d'image

(a) (b)

Figure2.8 – Technique d’imagerie par tomographie photo-acoustique : (a) principe de fonction-nement du syst`eme d’imagerie photo-acoustique[Xia et al., 2014], et (b) image photo-acoustique de l’œsophage[Xia et al., 2014].

2.1 Biopsie optique

D’autres types d’imagerie plus populaires et largement r´epandus dans les applications m´edicales sont utilis´es ´egalement pour r´ealiser des biopsies optiques :

— Echographie :´ elle est fond´ee sur l’´emission et la r´eception d’ondes ultrasonores. Celle-ci correspondent `a des ondes acoustiques de fr´equence sup´erieure `a la limite d’audition humaine (> 20kHz). Elles ont ´et´e cr´e´ees artificiellement pour la premi`ere fois par Pierre Curie en 1880. L’´el´ement majeur d’un syst`eme ´echographique est la sonde (transducteur) de la figure 2.9(a), qui transforme le signal ´electrique en onde ultrasonore dans la fonc-tion ´emetteur, et converti les ondes ultrasonore en impulsion ´electrique dans sa foncfonc-tion r´ecepteur. Les ondes ultrasonores envoy´ees sur l’´echantillon vont retourner des ´echos de chaque obstacle rencontr´e. Ce signal ´echo est trait´e dans la station d’imagerie figure2.9(b) pour former une image ´echographique comme dans l’exemple pr´esent´e en figure 2.9(c) [Nadeau, 2011].

(a) (b) (c)

Figure2.9 – Syst`eme et image ´echographique endoscopique : (a) sonde ´echographique endosco-pique, (b) station d’imagerie ´echographique de la soci´et´e Olympus, et (c) coupe ´echographique de l’intestin[Costache et al., 2013].

— Microscopie confocale : cette technique a ´et´e brevet´ee par Marvin Minsky en 1961 [Minsky, 1961]. Elle permet de r´ealiser des coupes horizontales de l’´echantillon pour une profondeur de champ d’une valeur de 250 nm. Ces coupes d’images sont prises grˆace `a des ouvertures ponctuelles de l’objectif du microscope (figure2.10),[Inoue et al., 2005].

Ce syst`eme permet de filtrer tous les rayons lumineux pour ne garder que ceux provenant du plan focal choisi. Ainsi, par un d´eplacement dans la profondeur du plan focal avec une r´esolution microm´etrique, il est possible de changer de profondeur acquise. Cependant, il est n´ecessaire (comme pour l’´echographie) de maintenir la sonde en contact du tissu pour assurer une bonne acquisition[Rosa, 2013, Rosa et al., 2012].

— Tomographie par coh´erence optique : la tomographie par coh´erence optique (en an-glais, Optical Coherence Tomography (OCT)) est une technique d’imagerie qui, comme la microscopie confocale, utilise la lumi`ere pour analyser l’´echantillon biologique [Fujimoto et al., 2000]. Les premiers travaux sur l’imagerie OCT ont ´et´e initi´es dans les ann´ees 1991 par[Huang et al., 1991]et[Fercher et al., 1988]. Cette technologie est fond´ee sur un ph´enom`ene optique dit d’interf´erom´etrie, qui utilise principalement une source de lumi`ere `a faible coh´erence temporelle. Elle permet de r´ealiser des images d’une profondeur de 3 `a 3.5mmavec une r´esolution de 5 `a 10µm.

(b)

Figure2.10 – Microscopie confocale, fonctionnement et images obtenues : (a) principe de fonction d’un microscope confocal, et (b) images obtenues par microscopie confocale[Rosa, 2013].

Le syst`eme OCT se compose d’un interf´erom`etre de Michelson, qui est un dispositif op-tique produisant des interf´erences par division d’amplitude. Ce dernier partage et recombine le faisceau laser entre un bras de mesure et un bras de r´ef´erence. Les ´echos r´efl´echis par l’´echantillon et transport´es via le bras de mesure sont compar´es `a ceux du bras de r´ef´erence pour produire une interf´erence. Ceci est possible uniquement si le faisceau laser OCT des deux bras a travers´e la mˆeme distance. Cette sym´etrie de distance est assur´ee par une com-mande d’un miroir en translation (1 DDL), qui est plac´ee dans le bras de r´ef´erence dans le but de faire l’acquisition d’un A-Scan (figure2.11)[Ouadour-Abbar, 2009].

Le balayage sur l’ensemble de la profondeur atteignable forme une carotte de l’´echantillon dite “A-Scan” (figure 2.12(a)). Par ailleurs, l’acquisition d’une coupe dite “B-Scan” (B-Scan figure2.12(b)) est possible par l’acquisition d’un A-Scan sur plusieurs points grˆace

`a un balayage lat´eral du faisceau laser. Ce mouvement est assur´e par un miroir `a un DDL.

Enfin, il est possible de former un volume OCT, grˆace `a un balayage appel´e “3D-Scan” de l’ensemble de la surface de l’´echantillon avec un miroir `a 2 DDL ou 2 miroirs `a 1 DDL (figure2.12(c)).

Jusqu’`a pr´esent nous avons pr´esent´e les technologies les plus utilis´ees dans le cadre de la biop-sie optique. Cependant, il est n´ecessaire de choisir parmi ces m´ethodes la plus adapt´ee `a nos besoins. Pour cela, nous proposons une comparaison entre les diff´erentes m´ethodes introduites.