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Submitted on 1 Jan 1969
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APPLICATION DES CRISTAUX LIQUIDES CHOLESTÉRIQUES A LA THERMOGRAPHIE
CUTANÉE
M. Gautherie
To cite this version:
M. Gautherie. APPLICATION DES CRISTAUX LIQUIDES CHOLESTÉRIQUES A LA THER- MOGRAPHIE CUTANÉE. Journal de Physique Colloques, 1969, 30 (C4), pp.C4-122-C4-126.
�10.1051/jphyscol:1969429�. �jpa-00213731�
JOURNAL D E PHYSIQUE Colloque C 4, supplément au no 11-12, Tome 30, Non.-Déc. 1969, page C 4 - 122
APPLICATION DES CRISTAUX LIQUIDES CHOLE STÉRIQUE s
A LA THERMOGRAPHIE CUTANÉE
M. GAUTHERIE
(Laboratoire d7Electroradiologie, C . H. U. de Strasbourg)
Résumé. - Les auteurs rappellent brièvement le principe de la thermographie par les cristaux liquides et décrivent la technique utilisée pour étudier la répartition thermique sur la surface cutanée humaine ; ils présentent et discutent grâce à des confrontations avec la thermographie infrarouge, quelques résultats obtenus en pratique clinique.
Abstract. - The authors briefly recall the principle of the liquid crystal thermography and describe the techniques used for the study of the thermal pattern on the human cutaneous surface.
They present and discuss, thanks to cornparisons with the infrared thermography, some clinical results.
Introduction. - Une préparation de cristaux liquides cholestériques éclairée en lumière blanche apparaît colorée parce qu'elle réfléchit dans chaque direction un rayonnement distribué dans une bande spectrale étroite autour d'une longueur d'onde
A,,
fonction essentiellement des angles d'incidence et d'observation et de la température T. L'étude des variations A.,(T) par différents dispositifs spectro- photométriques [l] a montré que
A.,
décroît en général de façon caractéristique lorsque T augmente, cela aussi bien pour des substances cholestériques pures que pour des mélanges.Cette propriété de réflexion sélective de la lumière est à la base de l'emploi des cristaux liquides pour repérer les températures superficielles, et en particu- lier les températures cutanées. Outre la détermination des températures absolues et des petites différences de températures par la simple « lecture » des couleurs, cette technique permet, d'une part de suivre des évo- lutions rapides de températures vu la faible constante de temps (- 0,l s) et la réversibilité des changements de coloration, et d'autre part de thermographier une surface étendue et de géométrie complexe en repérant simultanément la température d'un grand nombre de points.
Dans ce qui suit, nous rapportons notre expérience dans la pratique clinique de la thermographie cutanée par les cristaux liquides en essayant, au fur et à mesure de l'exposé des techniques et des résultats, de poser un certain nombre de problèmes qui n'ont à notre connais- sance pas encore reçu de solution.
Techniques. - CARACTÉRISTIQUE D'UN « THERMO-
GRAPHE » A CRISTAUX LIQUIDES. - L'expérience montre
que les cristaux liquides ne sont utilisables comme thermomètres que dans un domaine spectral limité approximativement par le rouge (0,70 p) et le vert- bleu (0,50 y), où leur sensibilité mesurée par -
2 1,
est suffisante pour que de petites variations de tempé- ratures entraînent des changements notables de colo- ration. Les températures T et T
+
AT correspondant à ces longueurs d'onde limites constituent la caracté- ristique essentielle d'une substance cholestérique quant à son utilisation comme thermomètre.- MÉLANGES. - Les températures cutanées hu- maines se situant à peu près entre 25 et 37 OC dans les conditions physiologiques, nous avons utilisé des mélanges de nonanoate, de chlorure et d'oléate de cholestéryle qui présentent leur phénomène coloré dans ce domaine de températures. Mais, le diagramme ternaire donnant la relation A,(T) en fonction des concentrations en esters n'étant pas connu, chaque composition correspondant à une caractéristique dési- rée a dû être déterminée de façon empirique.
La préparation du mélange est effectuée, après pesée de chaque ester, par chauffage à une température supé- rieure à la transition phase mésomorphe-liquide, suivi d'un refroidissement très rapide jusqu'à la tempéra- ture ambiante.
Pour déterminer la relation couleur-température, nous appliquons une couche du mélange sur la surface noircie d'une thermode en cuivre alimentée, au moyen d'un ultrathermostat, par un courant d'eau à tempé- rature constante connue ; puis nous notons au cours du chauffage de la thermode les températures corres- pondant à l'apparition de la série de couleurs suivante :
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969429
APPLICATION DES CRISTAUX LIQUIDES CHOLESTÉRIQUES C 4 - 123
rouge (0,70 y), rouge-orange (0,62 p), orange (0,60 p), jaune (0,58 p), vert (0,53 p) et vert-bleu (0,51 y). La figure 1 montre les courbes io(T) ainsi mesurées pour
1
. ..
. , . T F )20 2s a 35 u1
FIG. 1. - Relation couleur-température T d'une série de mélanges cholestériques contenant en moyenne 80 % de nona- noate, 15 % de chlorure et 5 % d'oléate de cholestéryle. Les points sur les courbes représentent la moyenne de six mesures faites, sur une couche d'environ 100 /.i d'épaisseur éclairée en lumière naturelle, par le même opérateur appréciant les couleurs dans une direction normale à la couche; la correspondance couleur-longueur d'onde réfléchie  o est arbitraire.
les mélanges que nous utilisons couramment. Ce pro- cédé présente l'inconvénient de remplacer la mesure des longueurs d'onde par l'appréciation subjective de sensations colorées, mais sa simplicité en autorise l'emploi en pratique clinique et permet d'effectuer fréquemment et avec une précision satisfaisante un contrôle rapide des mélanges.
- MODALITÉS D'APPLICATION SUR LA PEAU. -
L'application des cristaux liquides est précédée du dépôt d'une peinture de graphite colloïdal soluble dans l'eau, réalisant après séchage un fond noir absor- bant qui améliore l'observation des couleurs en évi- tant la réflexion par la peau de la fraction non diffusée de la lumière incidente. Selon la région corporelle, ce dépôt est fait soit directement sur la peau, soit par i'intermédiaire d'un support plastique adhésif obtenu par projection d'un aérosol, permettant un nettoyage Facile de la surface cutanée.
Afin d'appliquer les cristaux liquides en une couche mince et homogène, le mélange est au préalable mis en solution dans du chloroforme. Cette opération doit être extemporanée, car les solvants organiques ont en général une action chimique sur les mélanges cho- lestériques dont ils déplacent progressivement la caractéristique du côté des basses températures. L'ap- parition des couleurs nécessite un traitement méca- nique de la couche, par exemple au moyen d'un pin- çeav souple, qui a pour effet d'augmenter l'intensité
du rayonnement réfléchi sans en changer la longueur d'onde; ce phénomène est dû à un réarrangement moléculaire. L'épaisseur de la couche cholestérique n'a pas d'influence sur la longueur d'onde réfléchie, lorsque celle-ci est supérieure à environ 10 y ; toute- fois, elle doit rester suffisamment faible pour ne pas trop diminuer la résolution géométrique. Notons que cette dernière caractéristique du thermographe à cristaux liquides n'a pas encore été étudiée en détail et dépend également des épaisseurs et des conductibilités thermiques des dépôts intermédiaires, ainsi que des gradients de températures sur la surface cutanée.
Nous avons pu vérifier que les modifications ther- miques apportées par ces diverses manipulations ne sont pas gênantes dans les conditions de nos exa- mens [2] ; en effet, elles portent surtout sur les tem- pératures cutanées absolues, physiologiquement et cliniquement moins significatives que les gradients de températures cutanées qui eux ne sont pas notable- ment affectés. La méthode d'application devrait être simplifiée par l'emploi des différents produits sous forme de deux aérosols, l'un donnant un film noir adhésif et l'autre une couche cholestérique constituée de microbilles réalisées par encapsulation du mélange dans un polymère.
- OBSERVATION ET ANALYSE DE L'IMAGE. - Dans le cadre actuel des applications médicales, seule l'étude des gradients thermiques est informative ; nous n'avons donc pas employé de dispositifs à source monochro- matique [l], permettant de repérer avec précision les températures absolues.
La longueur d'onde réfléchie Io étant fonction de l'angle d'incidence, l'éclairage est réalisé par une source de lumière diffuse suffisamment éloignée de la surface cutanée pour obtenir une incidence approxi- mativement normale en tous les points.
il0 dépend également de l'angle d'observation et peut seulement être supposée constante dans un angle solide d'environ 400 d'ouverture autour de la normale à la peau [3]. Par conséquent, des couleurs ne sont comparables que vues dans une même direction, de préférence peu éloignée de la normale ; ce résultat revêt une importance particulière dans la thermogra- phie des surfaces corporelles, le plus souvent courbes.
L'analyse de la répartition colorée est faite soit directement sur le patient, soit sur un document enre- gistré sur film couleur inversible, en vue d'établir, d'après l'étalonnage, la relation entre couleurs et tem- pératures.
L'analyse des isochromatiques doit être effectuée avec discernement car, si chaque couleur représente une plage de températures comprises entre deux
D Fig. : 2 a G
Fig. : 3 a
FIG. 3. - Examen thermographique de la face palmaire des mains dans un cas d'œdème inflammatoire post-traumatique de i'ina'ex gauche.
L'image obtenue avec les cristaux liquides (caractéristique du mélange : T + AT= 30,75
+
2,5 OC) met en évidence une hyperthermie de l'index gauche correspondant bien à la localisa- tion clinique. A droite, l'hyperthermie de i'index par rapport aux autres doigts est probablement due A un réchauffement parla voie réflexe de Brown-Séquard. Ce phénomène n'apparaît pas sur l'image infrarouge (écart de températures du blanc au noir : 2 OC) où l'on note par contre une hyperthermie du médius gauche. Le désaccord entre les deux images s'explique par le fait qu'au niveau des mains et surtout des doigts, les tempéra- tures cutanées subissent d'importantes fluctuations physiolo- giques [8]. L'avantage de la thermographie par les cristaux liquides, qui objective la répartition thermique directement sur le support anatomique, est ici patent.
APPLICATION DES CRISTAUX LIQUIDES CHOLESTÉRIQUES C 4 - 125 Fia. 2. - Examen thermographique du thorax dans un
cas de cancer diffus du sein gauche chez une patiente de 48 ans.
- L'image thermographique obtenue par les cristaux liquides (a) se présente sous la forme d'une répartition de couleurs ; les zones bleues sont les plus chaudes et les zones rouges les plus froides.
(Caractéristique du mélange : T + AT= 32,75
+
2,5 OC).L'on note au niveau du sein gauche une hyperthermie globale correspondant au foyer pathologique thermogène, et dans le supéro-interne du sein droit des zones Chaudes linéaires en relation avec le réseau veineux sous-cutané.
- Les images thermographiques obtenues par radiométrie infiarouge (b) se présentent sous la forme de distribution de noircissements : les zones blanches sont les vlus claires et les zones noires les plus froides. (Appareillage : thermographe infrarouge Barnes équipé d'un détecteur à thermistance.
~ncidences - A, B : face, C, D : profils gauche et droit. Ecart de températures du blanc au noir - A : 5 OC, B, C, D : 3 OC).
L'examen est complété par l'analyse des isothermes (c) réalisée avec une caméra infrarouge LEP (détecteur : cellule au germa- nium dopé au mercure, refroidie à l'hélium liquide - (( largeur » de l'isotherme égale à la sensibilité maximale : 0,05 OC - enre- gistrements : contour du thorax et niveaux thermiques croissants de A à F). L'on note ici, outre l'hyperthermie relative du sein gauche, la mise en évidence des zones les plus chaudes localisées dans la région de l'aréole et dans le auadrant inféro-interne.
cristaux liquides ; mais le nombre de couleurs que l'œil peut dis- tinguer étant pratiquement limité à 6, il faudrait pour cela utiliser une série de mélanges à (< fenêtre » plus étroite (AT e
0,3 OC) et par conséquent n'étudier avec chaque mélange qu'une petite fraction de la surface thoracique. Néanmoins, dans le cas présent il eut été intéressant de repreiidre l'examen aux cristaux liquides, du côté pathologique, avec un mélange ayant un niveau de caractéristique T plus élevé.
-
Une analyse aussi fine pourrait en principe être effectuée avec les
valeurs To et To
+
6T, l'écart 6T varie beaucoup selon la couleur et est notamment plus étroit au milieu du spectre visible ; de plus, 6T est d'autant plus grand que la fenêtre AT du mélange est plus large puisque le nombre de couleurs pures significatives discernables par l'œil reste égal à environ 6 quel que soit le mélange.Notons que la méthode est difficilement praticable par des sujets atteints de troubles de la vision chromatique.
L'interprétation de la répartition thermique est un problème de physio-pathologie qui procède de critères analogues à ceux de la thermographie infrarouge [4].
Résultats.
-
Notre expérimentation a jusqii'ici porté exclusivement sur trois groupes pathologiques : les affections mammaires, rhumatismales et vascu- laires périphériques. Toutefois, à côté de ces investi- gations à visée diagnostique, nous commençons à utiliser les cristaux liquides pour des recherches fondamentales de thermophysiologie.Les conditions générales de l'examen thermogra- phique par les cristaux liquides sont analogues à celles préconisées pour la thermographie infrarouge, tant au point de vue du milieu ambiant (salle thermos- tabilisée à environ 21 OC) que du patient [4]. Le choix du mélange cholestérique est basé sur une rapide exploration préalable de la répartition thermique, réa- lisée point par point à l'aide d'un thermomètre à thermocouple.
Afin de disposer d'un élément de référence pour juger les résultats de Ia thermographie par les cris- taux liquides, nous avons pratiqué chez chaque patient une étude comparative par la thermographie infra- rouge (Fig. 2 et 3). Sur une soixantaine d'examens du thorax et des membres, nous n'avons pas relevé de désaccord flagrant entre les deux méthodes pourtant différentes dans leur principe. Cette observation est importante ; en effet, l'énergie rayonnée spontané- ment par la peau, dont la thermographie infrarouge permet d'établir la distribution, étant fonction à la fois de la température et du facteur d'émission cutané, l'interprétation de l'image infrarouge comme une répartition de températures est toujours subordonnée à l'hypothèse d'un facteur d'émission constant en tous les points de la surface étudiée. Jusqu'ici, l'on ne dispose sur le facteur d'émission que de données fragmentaires selon lesquelles il ne serait constant qu'au delà de 6 p [5].
Les figures 2 et 3 montrent les examens thermogra- phiques effectués dans un cas de cancer du sein et un cas d'œdème inflammatoire digital. U n rapport détaillé de nos résultats cliniques est présenté par ailleurs [6, 71.
Discussion.
-
Comparée à la thermographie infra-rouge qui est actuellement la plus répandue dans le domaine médical, les cristaux liquides présentent, à côté de leur simplicité d'emploi et de leur coût peu élevé, deux avantages importants : d'une part ils sont stables sur de longues périodes de temps alors que les caméras infrarouges présentent, en raison de la complexité de leur électronique, une dérive qu'il est pratiquement impossible de supprimer ; d'autre part, la distribution des températures est mise en évidence, non pas à distance, mais directement sur la surface corporelle étudiée, ce qui facilite grandement les localisations, par exemple d'anomalies thermiques.
Ces deux remarques sont d'ailleurs valables pour une surface quelconque ; soulignons que dans ce cas l'interprétation de l'image infrarouge est souvent difficile car les facteurs d'émission des surfaces sont rarement connus avec suffisamment de précision. , Les inconvénients des cristaux liquides sont diffé- rents de ceux des autres thermomètres de contact.
L'évacuation de chaleur par conduction par l'élément de mesure est en effet remplacée par une modification des échanges calorifiques entre l'environnement et la surface étudiée, celle-ci ayant un facteur d'émission généralement différent de celui de la couche choles- térique. Ainsi, dans le cas de la peau, les conditions physiologiques ne sont plus respectées ; en outre; bien que la méthode soit d'une inocuité quasi-totale et assez bien acceptée par les patients, les effets psycho- logiques de l'application peuvent avoir des répercu- tions sur les températures cutanées, notamment dans les régions corporelles à forte activité sympathique telles les mains. A partir de l'analyse précédent&, on peut envisager une combinaison des méthodes ther- mographiques infrarouge et par cristaux liquides consistant à substituer au détecteur infrarouge et aux systèmes de balayage opto-mécanique des thermo- graphes, un film cholestérique.
Bibliographie [l] MAGNÉ (M.), Thèse Lyon, 1969.
[2] ARCHER (F.), Thèse Strasbourg, 1969.
[3] FERGASON (J. L.), Molecula~ Cuystals, 1966, 1, 293.
[4] GROS (Ch.), GAUTHERIE (M.). et BOURJAT (P.), Acta Electuonica, 1969, Cahier Infrarouge, No 7.
[5] GROS (Ch.), GAUTHERIE (M.) et BOURJAT (P.), J. Elec- tuoradiol., 1968, 49, 937.
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[7] GROS (Ch.) et BOURJAT (P.), Tagung der Gesellschaft für Thermodiagnostik, Freudenstadt, 1969, Zeits- chrift für physikalische Medizin und Rehabilita- tion (à paraître).
[8] GAUTHERIE (M.), GROS (Ch.) et MUGEL (J. L.), Revue Française d'Etudes Cliniques et Biologiques, 1968, 13, 899-904.
