Brevet FR2738140A1 — publié le 19970307

La présente invention concerne un dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures, tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que les annexes cutanées, les phanères, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive. ll est souvent nécessaire d'observer en un instantané et de façon non invasive les microstructures présentes dans les premières centaines de microns du tégument, c'est-à-dire le stratum cornéum, I'épiderme, les papilles dermiques et le derme superficiel, et plus généralement d'examiner, en une série d'instantanés correspondant à une succession de plans de coupe, un élément de volume du tégument afin d'en caractériser la structure interne et/ou la composition. En effet, l'imagerie cutanée in vivo revêt un attrait majeur puisqu'elle permet d'affiner certains diagnostics, de préciser les limites de certains processus pathologiques, et enfin de contribuer à la progression des connaissances en physiologie de la peau. Les principaux domaines dans lesquels la tomobiopsie optique cutanée in vivo constitue un progrès par rapport à l'existant sont: * En Recherche Fondamentale : I'étude de la physiologie de la peau, des annexes cutanées, des phanères et des muqueuses, des différents processus pathologiques susceptibles de les affecter, des influences environnementales capables d'interaction avec elles, en particulier l'irradiation solaire, ainsi que de l'action de toute substance en contact avec les structures précitées. * En Recherche Pharmaceutique - la mise au point de thérapeutiques nouvelles, une meilleure connaissance de l'activité de celles existantes, en particulier en ce qui concerne la pharmacocinétique cutanée des molécules utilisées, qu'elles le soient par voie générale ou par voie topique. * En Recherche Cosmétologique : la mise au point des actifs, des excipients, des produits finis, tant en ce qui concerne la compatibilité cutanée que l'efficacité des substances. * En Pratique Clinique: - le diagnostic dermatologique, en tant qu'alternative à la biopsie cutanée et/ou complément à celle-ci, et pour le suivi de l'évolution des processus pathologiques, - la prévention et le dépistage des cancers cutanés et l'appréciation du potentiel évolutif des lésions précancéreuses Les principales exigences d'une telle observation sont: * qu'elle soit non invasive en ce sens qu'elle ne modifie en rien, ni temporairement ni définitivement, le milieu examiné, * qu'elle soit non destructive, * que la qualité des images acquises et l'exactitude des mesures soient compatibles avec les exigences de l'application considérée, * qu'elle ne nécessite aucune préparation particulière, * qu'elle soit réalisée en temps réel. L'analyse de l'état de l'art en matière d'observation des microstructures cutanées met en évidence l'existence de quatre procédés basés sur quatre principes physiques différents, à savoir: * la microscopie optique "conventionnelle" d'échantillons issus de biopsies cliniques, * la microscopie électronique à balayage d'échantillons issus de biopsies cliniques et spécialement traités pour ce type d'examen, * la microscopie confocale à balayage pour l'observation de plans de coupe perpendiculaires à l'axe optique du système, I'examen d'un volume étant réalisé par acquisitions successives de plans de coupe parallèles entre eux et correspondant à des profondeurs z distinctes, * I'échographie ultrasonore, seule d'entre elles à permettre l'observation non invasive d'un plan de coupe parallèle à la direction de propagation de l'onde d'excitation. Ces quatre technologies ne satisfont pas à l'ensemble des exigences énumérées cidessus. Les microscopies optique et électronique sont invasives et destructives, la microscopie confocale à balayage ne permet pas l'observation simultanée et instantanée de structures internes situées à des profondeurs distinctes, enfin, I'échographie ultrasonore n'offre pas une résolution et une précision de mesure qui soient compatibles avec les besoins de nombreuses applications. La présente invention de tomobiopsie optique in vivo satisfait à l'ensemble des exigences énumérées ci-dessus. ll s'agit bien d'une méthode non invasive et non destructive, ne nécessitant aucune préparation particulière de l'objet, et qui permet d'acquérir en un instantané et de visualiser en temps réel l'image d'une coupe perpendiculaire au tégument avec une résolution microscopique. La présente invention a pour objet un dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que des annexes cutanées, les phanères, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive, et caractérisé en ce qu'il comporte: * Une voie d'éclairage permettant d'illuminer la région sous examen selon un plan de coupe et constituée:: . d'un bloc source incluant une source lumineuse polychromatique éclairant une fente source placée au foyer d'un collimateur, . un miroir galvanométrique de balayage angulaire de la nappe lumineuse d'éclairage permettant de positionner à la demande l'ensemble des plans de coupe instantanés nécessaires à l'observation 3D volumique de la région sous examen, . d'un objectif de projection présentant un chromatisme axial connu et formant un continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles sont situées dans un plan définissant une coupe tomographique optique dans l'espace de mesure, chaque image de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de focalisation par rapport à l'objectif de projection. * Une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffusé par les détails rencontrés (variations locales des indices de réfraction et d'absorption) et constituée: . du même objectif de projection dont le chromatisme axial est connu, utilisé ici en retour inverse de la lumière, et formant à l'infini une image polychromatique commune de l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage, . d'une lame séparatrice permettant de dissocier la voie d'observation de la voie d'éclairage, . d'un collimateur reprenant l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur une fente de filtrage spatial. * Un sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire associé à un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel et à son électronique de pilotage permettant de restituer une image en coupe de l'objet sous examen. * Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation du miroir galvanométrique de balayage angulaire afin de positionner, à la demande et successivement, I'ensemble des plans de coupe instantanés nécessaires à l'observation 3D volumique de la région sous examen. * Des moyens électroniques et informatiques d'enregistrement, de traitement et de visualisation des images instantanées acquises. Des modes de réalisation préférés du dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutanée in vivo objet de l'invention sont décrits ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: . la figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, . la figure 2 représente une reconstitution tridimensionnelle d'objet par juxtaposition de plans de coupe successifs parallèles entre eux. Le dispositif représenté figure 1 fonctionne de la façon décrite ci-après: * La source lumineuse (20) polychromatique et à spectre continu éclaire, au moyen d'une optique de focalisation (21), la fente source (22). * Une optique de collimation (23) forme une image à l'infini de la fente source (22) située en son foyer objet. * Le faisceau collimaté traverse une lame séparatrice (24) qui servira à replier les pinceaux lumineux rétrodifflisés par l'objet, et ainsi à les dissocier de ceux de la voie d'éclairage. * Un miroir galvanométrique (32) défléchit angulairement la nappe lumineuse (33) d'éclairage pour positionner à la demande le plan de coupe instantané d'observation. * Un objectif de projection (25) présentant un chromatisme axial connu forme un continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles sont situées dans un plan (x, z) parallèle à l'axe optique de l'objectif de projection (25) et définissant une coupe tomographique optique (26) dans l'espace de mesure, chaque image de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de focalisation par rapport à l'objectif de projection (25). * Le même objectif de projection (25), utilisé en retour inverse de la lumière, permet de collecter les pinceaux rétrodifflisés par les détails rencontrés situés dans le plan de tomobiopsie optique (26). Il forme à l'infini une image polychromatique commune de l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage telles que modulées en intensité en chaque point par les détails de l'objet (variations locales d'indice de réfraction). * Le miroir galvanométrique (32) défléchit angulairement en retour la nappe lumineuse (34) jusqu'à la position (33). * La lame séparatrice (24) assure le repliement des faisceaux en direction du collimateur (27) qui reprend l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur la fente de filtrage spatial (28). * Le sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) du type spectrographe imageur, dont la fente d'entrée est la fente de filtrage spatial (28), forme dans son plan image une continuité d'images monochromatiques dont l'ensemble constitue une image du plan (x, z) de tomobiopsie optique (26). * Le détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (30), placé dans le plan image du spectrographe imageur, fournit à l'aide de son électronique de pilotage (31), une image instantanée du plan de tomobiopsie éclairé, dont la fréquence de rafraichissement est définie par les performances intrinsèques du détecteur matriciel bidimensionnel et le bilan photométrique de l'ensemble, y compris les propriétés de rétrodiffusion des détails de l'objet. * Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation (38) du miroir galvanométrique de balayage afin d'accéder, à la demande et successivement, à l'ensemble des plans de coupe instantanés nécessaires. * Des moyens électroniques et informatiques (39) permettant d'enregistrer, traiter et visualiser les images instantanées acquises. La figure 2 représente la reconstitution tridimensionnelle du volume d'examen (35) par juxtaposition informatique des plans de coupe successifs parallèles entre eux une translation de pas constant selon l'axe (y) du plan de tomobiopsie optique (26) permet d'acquérir un ensemble (36) d'images qui, par juxtaposition, permettent d'obtenir une reconstitution tridimensionnelle (37) des microstructures du volume d'examen. La source lumineuse polychromatique peut être par exemple choisie panni les sources suivantes, correspondant à différents modes préférés de réalisation de l'invention: s . une source à incandescence, . une lampe à Arc donnant un spectre continu et relativement uniforme sur une large bande spectrale, telle qu'une lampe à Arc au Xénon, utilisée en mode flash ou en mode continu, .une ou plusieurs sources couplées à spectre étroit, de type DEL (Diode électroluminescente), ou diode Super Radiante, Pour certaines applications qui ne nécessitent pas de former une image continue selon x du plan de coupe (x, z), mais requièrent une plus grande précision de mesure, on peut avantageusement remplacer la fente d'éclairage (22) par des trous source alignés et non nécessairement équidistants.La fente de filtrage spatial (28) est alors remplacée par des trous de filtrage spatial conjugués des trous source. Ceci permet d'augmenter la résolution d'analyse simultanément suivant les trois directions (x, y, z) grâce à une meilleure efficacité du filtrage spatial réalisé par (28), et ce pour l'ensemble des images monochromatiques des trous d'éclairage (22) formées par l'objectif de projection (25) dans le plan de tomobiopsie (26). Selon des modes préférés de réalisation, le miroir galvanométrique de déflection angulaire de la nappe lumineuse (33) à l'aller, et de la nappe (34) en retour, peut être remplacé par un miroir oscillant (résonnant) ou par un miroir polygonal tournant ou par un déflecteur acousto-optique. Selon des modes préférés de réalisation, l'optique à chromatisme axial contrôlé peut être du type optique réfractive (association de lentilles de forme et composition adéquates), ou du type diffractive (lentille holographique), ou formée d'une combinaison des deux technologies. Selon un mode préféré de réalisation, I'objectif (25) à chromatisme axial connu peut être doté d'aberrations géométriques contrôlées et connues comme l'aberration sphérique et la courbure de champ, afin d'adapter la forme des images monochromatiques de la fente source dans l'espace d'observation à des géométries particulières d'objets à examiner et/ou de compenser partiellement ou totalement les aberrations causées par la traversée des régions supérieures desdits objets. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le sous-ensemble (29) de dispersion chromatique angulaire est du type spectrographe imageur, utilisant un prisme comme élément de dispersion. Selon un autre mode préféré de réalisation, l'élément dispersif du spectrographe imageur est un réseau de diffraction. Selon un mode préféré de réalisation, le détecteur matriciel bidimensionnel (30) placé dans le plan image du sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) peut être remplacé par un film photographique sensible à la couleur. Selon un autre mode de réalisation, le détecteur matriciel (30) peut être remplacé par un dispositif optique permettant une observation visuelle directe de l'image. REVENDICATIONS 1 - Dispositif optoélectronique de tomobiopsie optique cutané in vivo destiné à l'acquisition, la visualisation et l'enregistrement d'images instantanées de plans de coupe (x, z) de la peau et de ses microstructures tant cellulaires que non cellulaires, au niveau de l'épiderme, du derme et de l'hypoderme, ainsi que des annexes cutanées, les phanères, les demi-muqueuses et les muqueuses accessibles à l'examen de façon non invasive, et caractérisé en ce qu'il comporte: + Une voie d'éclairage permettant d'illuminer la région sous examen selon un plan de coupe tomographique, et constituée:: . d'un bloc source incluant une source lumineuse polychromatique et à spectre continu (20), éclairant au moyen d'une optique de focalisation (21), une fente source (22) placée au foyer d'un collimateur (23) qui en forme une image à l'infini, . d'un miroir galvanométrique (32) de balayage angulaire de la nappe lumineuse d'éclairage (33) permettant de positionner à la demande le plan de coupe tomographique (26) dans l'espace de mesure, . d'un objectif de projection (25) présentant un chromatisme axial connu et formant un continuum d'images monochromatiques de la fente source, caractérisées en ce qu'elles sont situées dans un plan (x, z) parallèle à l'axe optique de l'objectif de projection (25) et définissant une coupe tomographique optique (26) dans l'espace de mesure, chaque image de la fente étant définie par sa longueur d'onde et sa distance de focalisation par rapport à l'objectif (25). + Une voie d'observation permettant de recueillir le flux rétrodiffùsé par les détails (variations d'indices de réfraction) internes de l'objet situés dans le plan de tomobiopsie optique illuminé par la voie d'éclairage, et constituée: . du même objectif de projection (25) dont le chromatisme axial est connu, utilisé ici en retour inverse de la lumière et formant à l'infini une image polychromatique unique de l'ensemble des images monochromatiques de la voie d'éclairage modulées en intensité en chaque point par les détails de l'objet, . du même miroir galvanométrique (32) assurant la déflection angulaire en retour de la nappe lumineuse (34) à la position initiale (33), . d'une lame séparatrice (24) permettant de dissocier la voie d'observation de la voie d'éclairage, . d'un collimateur (27) reprenant l'image polychromatique à l'infini pour la focaliser sur une fente de filtrage spatial (28). + Un sous-ensemble de dispersion chromatique angulaire (29) du type spectrographe imageur, dont la fente d'entrée est la fente de filtrage spatial (28), et qui forme dans son plan image un continuum d'images monochromatiques dont l'ensemble constitue une image du plan (x, z) de tomobiopsie optique (26). + Un détecteur photoélectrique matriciel bidimensionnel (30) placé dans le plan image du spectrographe imageur et délivrant à l'aide de son électronique de pilotage (31) une image instantanée du plan de tomobiopsie dont la fréquence de rafraichissement est définie par les performances intrinsèques du détecteur photoélectrique et le bilan photométrique de l'ensemble y compris les propriétés de rétrodiffusion des détails de l'objet sous examen. + Des moyens électroniques de pilotage et de synchronisation (38) du miroir galvanométrique de balayage afin d'accéder, à la demande et successivement, à l'ensemble des plans de coupes tomographiques. + Des moyens électroniques et informatiques (39) d'enregistrement, de traitement et de visualisation des images instantanées acquises. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse polychromatique et à spectre continu est réalisée par couplage optique de plusieurs sources élémentaires à spectres respectifs de largeur inférieure à l'étendue chromatique globale du système. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse polychromatique a un spectre discontinu de raies fines parfaitement identifiées permettant un codage en z de l'espace de mesure en tranches successives perpendiculaires à l'axe optique de l'objectif à chromatisme axial connu. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente d'éclairage est remplacée par des trous source alignés, non nécessairement équidistants, la fente de filtrage étant elle aussi remplacée par des trous de filtrage spatial conjugués optique desdits trous source. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la déflection angulaire de la nappe lumineuse (33) est réalisée au moyen d'un miroir oscillant ou d'un miroir polygonal ou encore d'un déflecteur acousto-optique. 6- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objectif de projection (25) à chromatisme axial contrôlé peut être du type optique diffractive permettant ainsi d'accroître considérablement la profondeur du champ de mesure en z. 7- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objectif de projection à chromatisme axial connu (25) est doté d'aberrations géométriques connues comme l'aberration sphérique et la courbure de champ, afin d'adapter la forme des images monochromatiques de la fente source dans l'espace de mesure à des géométries particulières d'objets à examiner et/ou compenser partiellement ou totalement les aberrations causées par la traversée des régions supérieures desdits objets.