Tomographie à cohérence optique

L’anatomie de la rétine est relativement bien connue grâce aux techniques d’imagerie in vitro telles que la microscopie. Cette modalité présente le défaut majeur de ne donner généralement des informations qu’après la mort de la rétine, ce qui rend difficiles les études des pathologies rétiniennes. D’où la nécessité d’une technique d’imagerie in vivo qui permette d’observer la progression des pathologies. La première technique utilisée était l’angiographie à la fluorescéine, apparue dans les années 1960 et devenue d’intérêt majeur dès les années 1970 [1]. Elle permet d‟observer les vaisseaux dans lesquels circule la fluorescéine ou des espaces rétiniens ou sous-rétiniens anormaux dans lesquels elle s’accumule. Cependant la pupille doit être préalablement dilatée et cette technique nécessite l’injection d’un colorant. Une nouvelle technologie est apparue en 1990, la tomographie de cohérence optique OCT (Optical Cohérence Tomography). Cette technique a permis de résoudre les limites de l’ancienne méthode, puisque l’OCT donne maintenant une image détaillée du tissu rétinien luimême (exemple figure 1-8). De nos jours, cette technique est devenue indispensable dans la plupart des examens ophtalmologiques. Les avantages de l’OCT sont nombreux : il s‟agit d‟une technique sans contact, non invasive et ayant une résolution spatiale élevée (<10 microns), permettant de visualiser les structures biologiques [2].

Définition de l’OCT :

L‟OCT est l‟analogue optique de l‟imagerie ultrasonore (échographie) qui repose sur l‟utilisation d‟ondes ultrasonores. La tomographie de cohérence optique est fondée sur l‟utilisation d‟ondes lumineuses qui peuvent traverser un tissu biologique et ressortir en portant des informations sur les microstructures traversées. Les mesures (en OCT) sont déduites par corrélation entre l‟onde de référence et l‟onde retournée du milieu étudie. La plupart des systèmes d‟OCT reposent sur le principe de l‟interféromètre de Michelson afin de créer des franges d‟interférence à partir desquelles sont déduites les informations nécessaires à la formation des images [3]. L‟OCT possède de nombreux avantages, puisque cette observation est réalisée sans contact donc non invasive, et que la résolution spatiale générée (pouvant aller jusqu‟au micromètre) est suffisante pour permettre la visualisation de la structures biologiques sous la surface .

Principe de l’OCT :

L‟élément de base de tout dispositif d‟OCT est un interféromètre de Michelson, permettant de produire des interférences. La lumière produite par une source est divisée en deux faisceaux : un faisceau de référence envoyé sur le miroir de référence et un faisceau envoyé sur le tissu biologique. Ce faisceau illumine le tissu, directement ou via une fibre optique.  Les interférences destructives se produisent quand la différence de marche (différence entre les longueurs des chemins optiques des faisceaux) est égale à une demi-longueur d‟onde. Ces interférences seront constructives quand la différence de marche sera égale à la longueur d‟onde. Il est ensuite possible de remonter à la structure en trois dimensions de l‟échantillon à l‟endroit imagé selon différents mode de balayage et selon le type d‟OCT utilisé. Un signal OCT est généré lorsque le miroir de référence se déplace axialement et la mesure en  profondeur (balayage de type A-scan) est obtenue grâce à la modification du trajet optique du faisceau de référence. La distribution en profondeur de la réflectivité de l‟échantillon est obtenue par corrélation entre le faisceau réfléchi par le miroir de référence (qui est en translation) et celui réfléchi par les différentes interfaces de l‟échantillon. Le balayage transverse (latérale) de l‟échantillon permet de construire les balayages de type B-scan. Le traitement informatique de ces signaux permet de construire des images en niveaux de gris ou bien en couleurs. Aujourd‟hui plusieurs systèmes sont commercialisés avec des résolutions latérale et axiale allant de 4 à 20 μm jusqu‟à des profondeurs de l‟ordre de 2 mm [7].

Les différentes configurations d’OCT :

TD-OCT : Tomographie à cohérence optique temporelle :
Dans ce type de montage, l‟échantillon est balayé plan par plan grâce à la translation du miroir de référence  . Le détecteur, généralement une photodiode, enregistre le signal interférométrique dans l‟espace temporel pour chaque plan [9].

FD-OCT : Tomographie à Cohérence Optique fréquentielle :
Contrairement à la TD-OCT, la FD-OCT est une méthode d‟acquisition du signal interférométrique dans le domaine spectral comme son nom l‟indique (tomographie de Cohérence optique fréquentielle). Dans le domaine temporel, les franges d‟ondes sont créés en faisant déplacer le miroir de référence alors que dans la FD-OCT, elles sont créés en faisant varier les fréquences (longueurs d‟onde) . Ce concept, repose sur l‟utilisation d‟un spectromètre [10]. Ce dernier crée une décomposition spectrale de l‟intensité qui est enregistrée par une ligne de pixels. Les pics d‟intensité résultant de la transformée de Fourier permettent de localiser les interfaces de l‟objet. Le profil axial n‟est donc plus enregistre en fonction du temps mais en fonction de la fréquence. Le balayage du miroir de référence n‟est plus nécessaire, ce qui diminue le temps d‟acquisition par rapport à la TD-OCT. La FD-OCT permet de faire une mesure beaucoup plus rapidement que si elle est faite dans le domaine temporel [11].

FF-OCT : Tomographie à cohérence optique plein champ :
Cette modalité présente le défaut majeur de ne donner généralement des informations qu’après la mort de la rétine, ce qui rend difficiles les études des pathologies rétiniennes. D’où la nécessité d’une technique d’imagerie in vivo qui permette d’observer la progression des pathologies [12].

Comparaison des systèmes OCT plein-champ, FD-OCT et TD-OCT :

Il existe quatre paramètres importants permettant de comparer les performances des dispositifs d‟imagerie par OCT :
• la sensibilité de détection
• la résolution spatiale
• la profondeur de pénétration
• la vitesse d‟acquisition des images
Il est alors possible de représenter ces quatre grandeurs sur un diagramme de type diagramme radar. En prenant pour variables la sensibilité de détection, la vitesse d‟acquisition, la profondeur de pénétration et la résolution spatiale, un dispositif d‟OCT sera d‟autant plus performant que son aire dans le diagramme sera importante.

Malgré ses excellentes performances en terme de résolution, l‟OCT plein-champ ne permet pas de réaliser des imagines in vivo car les tissus biologiques ne peuvent pas rester illuminés et immobilisés pendant le temps nécessaire à l‟acquisition des images. Par contre, l‟OCT dans le domaine fréquentiel offre un compromis intéressant entre un temps d‟acquisition acceptable et une résolution suffisante pour les applications médicales envisagées

Applications de la tomographie par cohérence optique :

La tomographie par cohérence optique a initialement été développée pour l‟ophtalmologie [15]. Cependant, les avancés de cette technologie ont permis son utilisation dans de nombreux autres domaines. Le secteur biomédical demeure toujours dominant [16], mais de nouvelles applications ont également été proposées dans des domaines non médicaux [17].