Tomographie par cohérence optique (OCT) - Technologie et applications biomédicales

La tomographie par cohérence optique, communément désignée par l’acronyme « OCT » (de l’anglais « optical coherence tomography »), est une technique d’imagerie optique utilisée principalement dans le domaine biomédical. L’OCT a été commercialisée à partir de 1996 pour l’imagerie de la rétine, quelques années seulement après la première démonstration en laboratoire. Elle constitue désormais une technique standard et incontournable en ophtalmologie. L'OCT commence à être employée dans d’autres domaines de la médecine, notamment en cardiologie interventionnelle dans le traitement des maladies coronariennes. En fournissant des images à l'échelle du micromètre de manière non invasive, l’OCT réalise une « biopsie optique » permettant d'obtenir des informations sur les tissus biologiques à partir de l'imagerie au lieu de la biopsie classique suivie d’un examen histopathologique. L’OCT est ainsi intéressante en gastro-entérologie pour la détection de cancers débutants et en dermatologie pour améliorer le diagnostic des lésions cutanées.

Souvent décrite comme l'analogue optique à l'échographie, l'OCT sonde les tissus biologiques avec de la lumière au lieu d'ultrasons, et cartographie leur réflectivité en profondeur. En échographie, les structures des tissus sont localisées en mesurant le temps de parcours des échos. À cause de la vitesse de propagation de la lumière, environ 1,5.10⁵ fois supérieure à celle du son dans les tissus, une telle mesure n’est pas réalisable en optique. Une méthode de mesure indirecte est mise en œuvre en OCT, basée sur l'interférométrie en lumière faiblement cohérente. Après réflexion par les tissus, le faisceau lumineux interfère avec un faisceau de référence provenant de la même source de lumière. À partir du signal interférométrique détecté, on accède au profil de réflectivité des tissus en profondeur, appelé « A-scan » par analogie à l'échographie. Sur la base de plusieurs A-scans adjacents, des images en 2 voire 3 dimensions peuvent être obtenues. Des structures réfléchissantes situées à des profondeurs différentes peuvent être distinguées, si leurs distances sont supérieures à la longueur de cohérence de lumière détectée. Ainsi, la résolution en profondeur en OCT est d'autant meilleure que la cohérence temporelle de la lumière est faible. En pratique, cette résolution se situe entre 1 et 20 µm. La profondeur de pénétration dans les tissus biologiques est principalement limitée par la diffusion de la lumière. Dans les milieux fortement diffusants, tels que la peau, elle est d’environ 1 mm. Cette pénétration est supérieure à celles d'autres techniques optiques d'imagerie à haute résolution telles que la microscopie confocale.

Depuis son apparition au début des années 1990, l'OCT a suscité une activité scientifique croissante, avec environ 85 000 publications en 30 ans concernant de plus en plus le domaine des applications médicales (la moitié des publications en 2021). Environ 50 entreprises (les 3/4 étant des startups) sont (ou ont été) impliquées dans la commercialisation de dispositifs d’OCT, conçus pour près de la moitié pour l’ophtalmologie. Les performances de l’OCT ont connu des améliorations rapides et spectaculaires, au niveau de la qualité des images (résolution, champ de vue, contraste) et de la vitesse d’acquisition de celles-ci. Diverses extensions de l’OCT ont été développées apportant, au-delà des seules caractéristiques structurelles, des informations fonctionnelles sur les tissus vivants : OCT angiographique, OCT Doppler, OCT polarimétrique, OCT élastographique, etc. L’OCT peut être associée à d’autre techniques telles que la microscopie non linéaire, l’imagerie photo-acoustique ou la spectroscopie Raman. En enrichissant ainsi les informations acquises et en compensant de manière synergique les limites fondamentales de l'OCT utilisée seule, ces mises en œuvre multimodales permettent d’améliorer le diagnostic et le suivi de maladies.

Cet article explique le principe de l’OCT en s’appuyant sur une modélisation mathématique, en distinguant l’OCT temporelle de l’OCT fréquentielle. Les paramètres gouvernant la résolution des images, la pénétration et la sensibilité de détection sont étudiés théoriquement. L’article traite ensuite de la mise en œuvre pratique de l’OCT en discutant des aspects technologiques, notamment pour l’acquisition du signal et l’éclairage. Les applications de l’OCT sont décrites dans le domaine de l’ophtalmologie, de la cardiologie, de la gastroentérologie et de la dermatologie. Enfin, les extensions technologiques principales de l’OCT et l’association de l’OCT à d’autres techniques sont présentées en indiquant leur intérêt biomédical.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés.