Premi` ere partie
1.5 Tomographie optique proche infrarouge
Aucun des syst`emes d’imagerie d´ecrits pr´ec´edemment (par rayonnement X, rayon-nement nucl´eaire, r´esonance magn´etique ou ´echographique) ne permet d’analyser les propri´et´es optiques des tissus biologiques. Pourtant, ces caract´eristiques sont des sources d’informations pr´ecieuses sur la structure et l’anatomie des tissus. D`es le d´ebut du XIXeme` si`ecle, R. Bright publie un rapport ´etonnant dans lequel il d´ecrit avoir d´etect´e une
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Tissus servant `a supporter les structures et les organes du corps comme les muscles, les vaisseaux sanguins ou les tissus adipeux.
Chapitre 1. ´Etat de l’art des syst`emes d’imagerie m´edicale
hydroc´ephalie en observant le crˆane d’un patient `a l’aide d’une bougie [31]. En 1843, T. B. Curling, m´edecin britannique, proc`ede `a des examens visuels de tumeurs des testicules en utilisant ´egalement une bougie comme source lumineuse [32]. Malgr´e quelques diagnostics optiques isol´es et utilisant la lumi`ere visible, c’est `a la fin des ann´ees 1970 que J¨obsis est le premier `a utiliser l’infrarouge pour mesurer les param`etres h´emodynamiques du cerveau [33].
Dans les deux derni`eres d´ecennies, l’int´erˆet m´edical d’illuminer les tissus biologiques avec une lumi`ere proche infrarouge (600 nm - 900 nm) s’est d´evelopp´e rapidement [33, 34]. La fenˆetre particuli`ere de longueur d’onde dans l’ordre des proches infrarouge correspond `a la plus faible absorption des principaux chromophores pr´esents dans les tissus biologiques, tels que l’h´emoglobine oxyg´en´ee et d´esoxyg´en´ee, l’eau et les lipides [35, 36]. Cette fenˆetre appel´ee fenˆetre th´erapeutique permet `a la lumi`ere de p´en´etrer plus en profondeur dans les tissus, jusqu’`a quelques centim`etres [37]. Mais le probl`eme essentiel que posent les tissus biologiques est leur caract`ere fortement diffusant. Par le ph´enom`ene de diffusion, la trajectoire d’un photon peut s’av´erer tr`es complexe. Il parcourt en moyenne 100 µm entre deux ´ev´enements de diffusion successifs. Ainsi, la mesure par transillumination devient extrˆemement difficile `a r´ealiser par les m´ethodes optiques. Le chapitre 2 d´etaille davantage les ph´enom`enes d’absorption et de diffusion. Cependant, malgr´e les difficult´es induites par ces processus, les param`etres traduisant le pouvoir d’absorption et de diffusion sont riches en information. En effet, les contrastes induits par les chromophores endog`enes peuvent donner de pr´ecieuses informations fonctionnelles sur l’´etat des tissus. Les cellules tumorales ont besoin de plus de nutriments pour se d´evelopper, le nombre de vaisseaux croˆıt donc autour des zones pathologiques. Ce proc´ed´e est appel´e l’angiog´en`ese [38]. L’imagerie optique peut sonder les diff´erentes concentrations de ces chromophores et ainsi distinguer les zones fortement vascularis´ees, fortement absorbantes et donc potentiellement pathologiques. De la mˆeme fa¸con, le pouvoir de diffusion d’un tissu est li´e `a sa structure. Sachant que les cellules d’une tumeur b´enigne ont une organisation structur´ee tandis que celles d’une tumeur maligne pr´esentent une structure d´esordonn´ee, la connaissance de cette caract´eristique est ´egalement une information pr´ecieuse pour l’aide au diagnostic. La tomographie optique se base donc sur la reconstruction de cartes de r´epartition des zones d’absorption et de diffusion des photons.
Bien que le contraste endog`ene provoqu´e par la distribution h´et´erog`ene des chro-mophores dans les l´esions tumorales permette de les d´etecter dans les derniers stades d’angiog´en`ese, les tumeurs `a un stade pr´ecoce restent non d´ecelables par la m´ethode optique diffuse. Le contraste naturel entre les zones tumorales et les zones saines est d’environ 2 : 1. La r´esolution spatiale atteint alors p´eniblement 1 cm. La plus petite tumeur d´etect´ee jusqu’`a pr´esent est d’environ 0,5 cm [39]. Une des premi`eres ´equipes `a avoir utilis´e un agent de contraste permettant d’acentuer la diff´erenciation des r´egions pa-thologiques avec les tissus environnants est Ntziachristos et al. [40]. En effet, la sensibilit´e
1.5. Tomographie optique proche infrarouge
de la tomographie optique diffuse peut ˆetre largement am´elior´ee par l’utilisation d’agents fluorescents. Ces mol´ecules fluorescentes ont tendance `a se concentrer pr´ef´erentiellement dans les l´esions et am´eliorent le contraste entre tissus malades et tissus sains. Cependant, la d´etection de zones de fluorescence pr´edominantes peut ˆetre compromise par l’effet des tissus environnants. Ces derniers peuvent ˆetre `a l’origine d’une autofluorescence caus´ee par les constituants endog`enes du milieu ou d’un ph´enom`ene de fluorescence r´esiduelle dˆu au transport des fluorophores exog`enes par la voie sanguine. C’est ce que nous ´etudierons au cours des prochains chapitres.
La tomographie optique par fluorescence est aujourd’hui une technique ´emergente en imagerie mol´eculaire. Les signaux mesur´es `a la longueur d’onde d’´emission de fluorescence fournissent des informations essentielles pour localiser la source de fluorescence telle qu’une tumeur pr´ecoce ins´er´ee dans les tissus biologiques. Cette technique de diagnostic utilise des radiations non ionisantes et ne requiert que quelques nanomoles d’agents de contrastes mol´eculaires [41]. L’imagerie de fluorescence a ´et´e d´evelopp´ee pour l’´etude g´en´etique du petit-animal [42,43], la d´etection de m´etastases [42,44,45], et le contrˆole du d´eveloppement d’infections bact´eriennes et des r´eponses immunitaires [46]. L’attrait des m´ethodes optiques pour le diagnostic m´edical est renforc´e par leur nature non ionisante, non invasive et ´economique. La tomographie optique de fluorescence a un fort potentiel pour ˆetre d´evelopp´ee et appliqu´ee en routine clinique, avec un int´erˆet particulier pour la d´etection et le diagnostic du cancer du sein `a un stade pr´ecoce [47–51].
Chapitre 1. ´Etat de l’art des syst`emes d’imagerie m´edicale
Tab. 1.1 – Comparaison des modalit´es d’imagerie m´edicale conventionnelle.
Modalit´e Principe Avantages Inconv´enients
Rayons X Att´enuation des rayons X par diff´erentes den-sit´es de tissus
Excellente r´esolution (1 mm)
Bonne p´en´etration
Radiation ionisante Contraste faible pour les tissus mous
R´esonance magn´etique nucl´eaire (RMN)
Relaxation des protons sous l’effet d’un champ magn´etique
Radiation non ionisante Bonne r´esolution (1,5 mm) Exposition `a un champ magn´etique intense Acquisition lente M´edecine nucl´eaire
Suivi de marqueurs ra-dioactifs
Dose ind´ependante de la qualit´e du clich´e
Informations fonction-nelles
Invasif, fort pouvoir io-nisant, coˆut et temps d’acquisition ´elev´es
Echographie Mesure des ondes acous-tiques sensibles aux pro-pri´et´es m´ecaniques des tissus
Non ionisant Faible coˆut
Sans effet secondaire
Qualit´e des images m´ediocre
Faible contraste
Imagerie proche infrarouge
Analyse des propri´et´es optiques des tissus bio-logiques
Non invasif, non ioni-sant, mesures non trau-matiques
Peu coˆuteux, peu en-combrant et transpor-table R´esolution au voisinage de la longueur d’onde Tissus biologiques extrˆemement diffusants Fluorescence r´esiduelle A l’´etat exp´erimental