Principe de la luminescence et de l’infrarouge

La détection de caries par luminescence et infrarouge utilisent les propriétés photothermiques et lumineuses de la structure dentaire. Le dispositif utilisant ces propriétés est aussi nommé dispositif PTR-LUM.

Les propriétés photothermiques sont exploitées grâce au système de radiométrie photothermique (PTR). La radiométrie photothermique est un mode de contrôle non destructif opérant à distance et sans contact. Son principe consiste à soumettre l’échantillon à analyser à un flux lumineux dont l’absorption produit une élévation locale de température au voisinage du point d’impact laser, puis à observer les variations d’émittances du matériau à l’aide d’une chaine de détection optique infrarouge. Le signal photothermique ainsi obtenu dépend des propriétés thermophysiques du matériau analysé, ce qui permet alors de les caractériser (Brahim et al, 2004).

L’autre propriété exploitée par le PTR-LUM est la luminescence (LUM). La luminescence est la propriété qu’ont certaines substances de restituer sous forme de photons d’énergie q= h.ν d’origine non thermique une partie de l’énergie absorbée au cours d’une excitation de type divers. Il s’agit donc de la désactivation d’une molécule excitée vers un état énergétique moins élevé (Monod-Herzen, 1967).

Quand la lumière interagit avec la dent, une partie est réfléchie, dispersée ou transmise à travers le tissu dentaire et une partie de l’énergie peut être absorbée (Figure 72).

Figure 72: Interaction de la lumière avec la dent

L’énergie absorbée peut être convertie en rayonnement comme la fluorescence ou bien en chaleur. Lors de la dispersion, le photon va changer de trajectoire sans perdre son énergie. Ce photon va dès lors interagir avec les petites particules du volume tissulaire. En plus de la dispersion, la transmission et la réflexion vont prendre place. Les paramètres utilisés pour caractériser les propriétés optiques d’un tissu comprennent les photons dispersés (µs) et le coefficient d’absorption (µa). Ce coefficient d’absorption est défini par le rapport entre l'absorbance et la longueur du chemin optique parcouru par un rayonnement électromagnétique dans un milieu donné (Minet et al., 2006). Ensemble, ils composent le coefficient d’atténuation (µt) où µt = µa + µs. Le coefficient d’atténuation mesure la perte d'énergie d'un rayonnement traversant un milieu. Il est analogue au coefficient d'absorption, et prend aussi en compte, en plus de l'absorbance, les effets dus à la diffusion et à la luminescence (Minet et al., 2006).

La dentine et l’émail voient leurs compositions structurelles et chimiques varier en fonction de la profondeur. La dentine et l’émail peuvent être considérés comme des structures à haute dispersion. La dispersion dans le tissu dentaire varie selon sa composante structurelle, chimique mais est aussi fonction de la longueur d’onde de la lumière. Il y a en effet un lien direct entre la dispersion et la longueur d’onde de la lumière : une longue longueur d’onde

entraine une faible dispersion offrant ainsi une pénétration plus profonde dans le tissu. Pour la détection précoce de caries, la sélection de la longueur d’onde lumineuse est vitale. Une longueur d’onde de 650 nm assure une pénétration optimale de la lumière dans les tissus biologiques (Gupta et al., 2007).

La présence d’imperfections dans l’émail (lésions carieuses) altère les propriétés d’absorption et de dispersion qui, par la suite influence les énergies émises telles que les émissions thermiques ou l’intensité de la fluorescence (Hall et Girkin, 2004).

La principale interaction entre le laser et un tissu est d’origine thermique. La conversion d’énergie optique en énergie thermique résulte de l’absorption des photons par la matière qui est par la suite convertie en chaleur. Ainsi, un coefficient d’absorption élevé entraîne une conversion rapide et par conséquent une augmentation de la température.

Une déminéralisation modifie beaucoup plus le coefficient de dispersion que le coefficient d’absorption (Spitze et al., 1977). Ceci est dû à la désintégration de la structure cristalline de l’émail et la création de pores jouant un rôle de centre de dispersion (Darling et

al., 2006). Une dispersion plus importante des photons diffusés aboutit à un trajet optique plus

court dans l'émail. Or, un trajet optique plus court est équivalent à un coefficient d’absorption plus élevé (loi de Beer-Lambert) ce qui, photothermiquement, augmente le signal PTR produit.

Lors d’une phase de déminéralisation, la luminescence est diminuée (Hellen et al., 2010). Ceci peut être expliqué grâce aux propriétés d’absorption et de dispersion de la lumière d’un émail sain comparé à un émail déminéralisé. Les faibles propriétés de dispersion d'un émail sain aboutissent à des trajets de photons plus longs, une probabilité plus haute d'absorption de photons et d'émission de fluorescence de l’émail, la jonction amélodentinaire et/ou la dentine (Angmar-Månsson et al., 1987). L’altération du coefficient de dispersion dans un émail déminéralisé aura plusieurs effets sur le niveau de fluorescence détecté. En effet, la dispersion de la lumière, avant d'atteindre un fluorophore et/ou une dispersion de lumière fluorescente produite par la dent avant sa sortie, aboutira à un niveau de fluorescence moins élevé lors d’une déminéralisation de l’émail (Girkin et al., 2000). De plus, les propriétés de dispersion élevées d’un émail déminéralisé peuvent aussi agir comme une barrière. Celle-ci empêche alors les photons incidents d'interagir avec les chromophores présents plus

profondément au niveau de la jonction amélodentinaire et dans la dentine (Mujat et al., 2003). Ces mécanismes peuvent expliquer la perte de fluorescence mais d’autres mécanismes peuvent aussi expliquer la perte des propriétés autofluorescentes comme la perte de chromophores pendant le processus de déminéralisation.

Lors d’analyse de lésions carieuses, le signal PTR va augmenter alors que le signal LUM va diminuer. Comme décrit précédemment, ceci est dû à l’augmentation de la température et la baisse de la luminescence. Hellen (2010) a présenté graphiquement ces variations d’amplitude. Les mesures ont été réalisées sur une dent extraite. Une lésion carieuse artificielle a été réalisée sur une zone de la dent. Le capteur du système PTR-LUM balaye la dent, enregistrant à plusieurs endroits les signaux. La déminéralisation a été analysée sur une durée de 10 jours (Figure 73). Selon l’avancée de la déminéralisation, le signal PTR ne cesse de s’amplifier lors que le signal LUM diminue progressivement.

Figure 73: Amplitude des signaux LUM et PTR en fonction de la déminéralisation

Le faisceau laser du système PTR-LUM est similaire à ceux utilisés par les techniques de QLF et de laser à fluorescence. Toutefois, dans le système PTR-LUM, le laser n’est pas émis de manière continue mais par pulsation. Ce principe segmente en deux phases l’analyse : lorsque le laser émet, la dent rayonne ; puis lorsque le laser n’émet plus, la dent libère de la chaleur. Le système va analyser alors les radiations réémises pendant la phase de fonctionnement du laser ainsi que le comportement thermique des photons infrarouges émis pendant la phase de veille du laser (Abrams, 2009).

Le système PTR-LUM est composé d’une diode laser (670nm, 500 mW) ; d’un pré-amplificateur, d’un détecteur infrarouge MCT (Mercure-Cadmium-Telluride) pour la composante PTR et d’une photodiode pour la luminescence (Figure 74) (Hellen et al., 2010). L’augmentation de température de la dent est de 2°C ; le patient ne la détecte pas et il n’y a aucune altération des tissus (Abrams, 2009).

Figure 74: Système PTR-LUM

Les interactions entre l’énergie, la lumière et la structure dentaire sont en grande partie exploitées grâce au système associant la luminescence et la radiométrie photothermique. Ce système est capable de détecter précocement les modifications structurelles du tissu dentaire. Il permet d’analyser les surfaces occlusales, les surfaces lisses, les caries radiculaires et les caries proximales (Abrams, 2009).