L'optique dans les instruments Applications à la médecine et à la biologie Traité EGEM, série Optoélectronique

Les instruments jouent un rôle primordial dans l’avancée scientifique et technologique. Les ouvrages de cette mini-série consacrée à l’optique dans les instruments ont pour but de montrer que l’optique et les composants optiques constituent souvent la partie essentielle autour de laquelle interviennent l’électronique, la mécanique et l’informatique. Le premier tome a décrit les bases nécessaires à la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. Ce second tome a pour but d’illustrer par divers exemples le rôle fondamental de l’optique dans l’instrumentation destinée à la biologie et à la médecine. Sont développés quelques instruments utilisés en routine pour l’analyse et la caractérisation, des instruments de très haute complexité permettant aux chercheurs d’avoir accès à des mesures ultra précises ainsi que des technologies prometteuses actuellement en développement. Enfin ces exemples permettront de voir l’impact des lasers non seulement dans l’instrumentation mais aussi dans les soins médicaux depuis l’ophtalmologie jusqu’à la chirurgie et le traitement de nombreuses maladies.

Avant-propos - Jean-Pierre GOURE.

Introduction.

Chapitre 1. Microscopie confocale à balayage laser - Thomas OLIVIER et Baptiste MOINE

1.1. Introduction.

1.1.1. Contexte et cadre du chapitre .

1.1.2. De la microscopie optique plein champ à la microscopie confocale.

1.2. Principe et mise en oeuvre.

1.2.1. Principe général.

1.2.2. Résolution axiale et latérale en microscopie confocale.

1.2.2.1. Résolution latérale.

1.2.2.2. Résolution axiale.

1.2.2.3. Discussion autour des résolutions théoriques et expérimentales.

1.2.3. Quelques notions sur la fluorescence.

1.2.4. Eléments principaux du microscope confocal à balayage laser.

1.2.4.1. Les sources.

1.2.4.2. Les éléments dichroïques.

1.2.4.3. Les scanners.

1.2.4.4. Les objectifs.

1.2.4.5. Les systèmes de détection et la résolution spectrale.

1.3. Application en biologie, potentiels et limites.

1.3.1. Eléments de base de biologie pour le néophyte.

1.3.2. Marqueurs fluorescents et techniques de marquage.

1.3.3. Mise en pratique de la microscopie confocale.

1.3.3.1. Introduction.

1.3.3.2. Comparaison des modes de contraste.

1.3.3.3. Résolution expérimentale.

1.3.3.4. Balayage, zoom et format des images.

1.3.3.5. Séparation spectrale.

1.3.3.6. Détection, rapport signal sur bruit et profondeur limite d’imagerie.

1.3.3.7. Aspects tomographiques.

1.4. Techniques connexes et dérivées.

1.4.1. Modes de contraste avancés : FRAP, FLIP, FLIM, FRET, etc...

1.4.2. L’apport des modes de contraste non linéaires.

1.4.3. Les dernières avancées majeures : franchir la limite de diffraction.

1.5. Bibliographie.

Chapitre 2. La cytométrie en flux (CMF) : mesure de cellules en suspension - Odile SABIDO

2.1. Historique de la CMF.

2.2. Eléments constitutifs d’un cytomètre : fluidique, optique et traitement du signal.

2.2.1. La fluidique.

2.2.2. L’optique.

2.2.2.1. Le laser.

2.2.2.2. La chambre d’analyse.

2.2.2.3. L’aiguillage optique et le recueil des signaux lumineux.

2.2.3. Le traitement du signal.

2.3. Stratégie d’expérimentation.

2.3.1. « Visualisateurs » des spectres.

2.3.2. Compensation de fluorescences.

2.3.3. Vérification du banc optique.

2.3.4. Présentation des paramètres A/H/W.

2.3.5. Présentation graphique.

2.4. Types de plates-formes de CMF.

2.4.1. Plate-forme clinique.

2.4.2. Plate-forme recherche.

2.5. Principe du tri cellulaire.

2.6. Paramètres analysés.

2.6.1. La lumière diffusée.

2.6.1.1. Diffusion à petit angle (< 10° souvent 2°) ou Forward Scatter, FSC.

2.6.1.2. Diffusion à angle droit (90°) ou Side Scatter, SSC.

2.6.2. Les fluorochromes.

2.6.2.1. Les fluorochromes liés à un marqueur spécifique d’éléments cellulaires.

2.6.2.2. Les fluorochromes spécifiques d’éléments cellulaires ou d’un état cellulaire (exemples).

2.7. Applications à la biologie.

2.7.1. Clinique.

2.7.2. Recherche.

2.7.3. Environnement.

2.7.4. Biologie végétale.

2.7.5. Microbiologie industrielle.

2.8. Complémentarité de la CMF avec les autres cytométrie, confocale et dynamique.

2.9. Cytométrie sur billes, type LUMINEXTM.

2.10. Sociétés scientifiques.

2.11. Sites Internet à consulter.

2.12. Bibliographie.

Chapitre 3. Tomographie par cohérence optique - Claude BOCCARA et Arnaud DUBOIS

3.1. Introduction.

3.2. Principe de l’OCT.

3.3. OCT fréquentielle.

3.4. Résolution spatiale.

3.5. Applications de l’OCT.

3.5.1. Ophtalmologie.

3.5.2. Médecine interne.

3.5.3. Autres domaines d’application.

3.6. Extensions de l’OCT.

3.7. L’OCT plein champ.

3.7.1. Principe.

3.7.2. Résolution spatiale.

3.7.3. Dynamique et sensibilité.

3.7.4. Vitesse de fonctionnement.

3.7.5. Applications.

3.8. Conclusion.

3.9. Bibliographie.

Chapitre 4. Applications thérapeutiques des lasers - Geneviève BOURG-HECKLY et Serge MORDON

4.1. Introduction.

4.2. Interaction de la lumière avec les tissus biologiques.

4.2.1. Les paramètres optiques caractérisant un rayonnement lumineux.

4.2.1.1. Flux d’énergie ou puissance rayonnante P.

4.2.1.2. Luminance L de la source.

4.2.1.3. Taux de fluence.

4.2.1.4. Eclairement I ou irradiance.

4.2.1.5. Fluence F.

4.2.2. Les trois types d’interactions entre un faisceau lumineux et un tissu biologique.

4.2.2.1. Le phénomène de réflexion.

4.2.2.2. Le rôle de la réflexion dans l’interaction lumière-tissu biologique.

4.2.2.3. Le phénomène d’absorption.

4.2.2.4. L’absorption de la lumière par les tissus biologiques.

4.2.2.5. La diffusion élastique.

4.2.2.6. La diffusion de la lumière dans les tissus biologiques.

4.2.3. Pénétration de la lumière dans les tissus biologiques.

4.2.3.1. Régime de diffusion.

4.2.3.2. Régime balistique.

4.3. Effets thérapeutiques des lasers.

4.3.1. L’effet thermique.

4.3.1.1. Mécanismes de l’action thermique.

4.3.1.2. Exemples d’applications cliniques de l’effet thermique.

4.3.2. L’effet photoablatif.

4.3.3. L’effet photochimique ou photodynamique.

4.3.3.1. Principe de l’effet photodynamique.

4.3.3.2. Cibles biologiques.

4.3.3.3. Mise en oeuvre de la PDT.

4.3.3.4. Indications médicales de la PDT.

4.3.4. L’effet électromécanique.

4.4. Conclusion.

4.5. Pour en savoir plus.

4.6. Bibliographie.

Chapitre 5. Plasmonique - Emmanuel FORT.

5.1. Plasmons de surface propagatifs.

5.1.1. Rappels théoriques et définitions.

5.1.1.1. Couplage par réflexion totale atténuée.

5.1.1.2. Couplage par diffraction.

5.1.1.3. Couplage à l’aide d’un dipôle.

5.1.2. Les capteurs à « résonance de plasmon de surface ».

5.1.2.1. Interrogation angulaire.

5.1.2.2. Interrogation spectrale.

5.1.2.3. Interrogation de phase.

5.1.3. Unités et sensibilité des capteurs SPR.

5.1.4. Autres configurations SPR.

5.1.5. Imagerie SPR.

5.1.6. Couplage plasmons de surface-fluorescence.

5.1.6.1. Spectroscopie de fluorescence par plasmons de surface.

5.1.6.2. Imagerie de fluorescence couplée avec des plasmons de surface propagatifs.

5.2. Les plasmons de surface localisés.

5.2.1. Rappels théoriques.

5.2.2. Détection des nanosondes plasmoniques.

5.2.2.1. Spectroscopie de diffusion des nanoparticules.

5.2.2.2. Biocapteurs basés sur l’agrégation colloïdale.

5.2.2.3. Détection photothermique.

5.3. Conclusion.

5.4. Bibliographie.

Index.