Les dérivées de l’hémoglobine dans la structure rétinienne par la technique de réflectométrie multi-spectrale

L’examen de la rétine par des moyens non invasifs et in vivo a été un objectif de recherche pendant plusieurs années. Pour l’œil comme pour tous les organes du corps humain, un apport soutenu en oxygène est nécessaire pour le maintien de l’homéostasie. La concentration en oxygène du sang des vaisseaux rétiniens peut être déterminée principalement à partir des mesures du spectre de réflexion du fond de l’œil. En envoyant une lumière, à différentes longueurs d’onde, sur la rétine et en analysant la nature de la lumière réfléchie par la rétine, il est possible d’obtenir des informations quantitatives sur le niveau d'oxygène dans les vaisseaux sanguins de la rétine ou sur le flux sanguin. Cependant, la modélisation est compliquée due aux différentes interactions et aux chemins que la lumière prend à travers les tissus oculaires avant de quitter l’œil. L’objectif de cette thèse a été de développer et de valider un modèle mathématique afin de calculer les dérivées d’hémoglobine à partir de mesures spectrales de réflectométrie sur les vaisseaux sanguins de la rétine. L’instrument utilisé pour mesurer la fonction spectrale de réflectométrie a été un spectroréflectomètre multi-canal, une technologie capable de mesurer in vivo et en continu 800 spectres simultanément. L'équation mathématique qui décrit la fonction spectrale de réflectométrie dans la zone spectrale de 480 nm à 650 nm a été exprimée comme la combinaison linéaire de plusieurs termes représentant les signatures spectrales de l'hémoglobine SHb, de l'oxyhémoglobine SOHB, l’absorption et la diffusion des milieux oculaires et une famille de fonctions multigaussiennes utilisées pour compenser l’incompatibilité du modèle et les données expérimentales dans la zone rouge du spectre. Les résultats du modèle révèlent que le signal spectral obtenu à partir de mesures de réflectométrie dans l’œil est complexe, contenant la lumière absorbée, réfléchie et diffusée, mais chacun avec une certaine prédominance spécifique en fonction de la zone spectrale. La fonction spectrale d’absorption du sang est dominante dans la zone spectrale 520 à 580 nm, tandis que dans la zone spectrale de longueurs d’ondes plus grandes que 590 nm, la diffusion sur les cellules rouges du sang est dominante. Le modèle a été utilisé afin de mesurer la concentration d’oxygène dans les capillaires de la tête du nerf optique suite à un effort physique dynamique. L’effort physique a entraîné une réduction de la concentration d’oxygène dans les capillaires, ainsi qu’une réduction de la pression intraoculaire, tandis que la saturation sanguine en oxygène, mesurée au niveau du doigt, restait constante. Le modèle mathématique développé dans ce projet a ainsi permis, avec la technique novatrice de spectroréflectométrie multicanal, de déterminer in vivo et d’une manière non invasive l’oxygénation sanguine des vaisseaux rétiniens.

Les mécanismes d’oxygénation sanguine de l’œil en corrélation avec le système respiratoire

Sommaire L’oxygène fait partie intégrante de l’environnement et ceci jusqu’au fonctionnement même des structures cellulaires qui composent le corps humain. Deux systèmes sont intimement liés à la distribution de l’oxygène, ce sont les systèmes cardiovasculaire et respiratoire. La transparence du système optique de l’œil peut être exploitée afin de mesurer de façon non invasive la concentration en oxyhémoglobine du sang qui alimente le système nerveux central. L’oxygénation capillaire de l’œil a été mesurée par spectro-réflectométrie dans deux régions de l’œil: d’une part les capillaires de la zone du nerf optique qui représentent principalement la circulation rétinienne; d’autre part, les capillaires du limbe cornéen. Cinq sujets volontaires, non fumeurs, sains, âgés de 20 à 45 ans et cinq sujets volontaires, fumeurs, sains, âgés de 20 à 40 ans ont participé à cette étude. Tous ces sujets ont été exposés à des conditions d’hyper et d’hypo oxygénation. Une séance d’expérimentations était composée d’un enregistrement continu de 360 secondes. Durant la première étape de 60 secondes, le sujet respirait de l’air ambiant. Durant une deuxième étape de 180 secondes, le sujet était exposé soit à une condition d’hyper (60% O2) soit, à une condition d’hypo oxygénation (15% O2), tandis que les 120 dernières secondes de la séance de mesure permettait d’exposer le sujet, une fois de plus à l’air ambiant. Le rythme cardiaque et les changements d’oxygénation artérielle au niveau du doigt étaient mesurés pendant ce temps vec le sphygmo-oxymètre. Les variations du taux d’oxyhémoglobine du sang au niveau capillaire de l’œil (nerf optique ou sclérotique) étaient toujours en corrélation directe avec les variations du taux d’oxyhémoglobine artériel. Toutefois, les capillaires du nerf optique offrent plus de précision pour les mesures d’oxygénation, relativement aux mesures d’oxygénation du sang contenu dans les capillaires de la sclérotique. La précision de la mesure de la concentration d’oxyhémoglobine obtenue dans cette étude par spectro-réflectométrie de l’œil, en fait un instrument utile au diagnostic d’une grande partie des pathologies pulmonaires ou oculaires.

Oxygénation des lits capillaires à la papille optique des patients sains et glaucomateux

Le glaucome représente la première cause de cécité irréversible à l’échelle mondiale. C’est une maladie neuro-dégénérative caractérisée traditionnellement par une pression intraoculaire (PIO) élevée, un dommage du nerf optique et un défaut du champ visuel correspondant. En fait, la PIO élevée constitue le facteur de risque central associé au développement du glaucome. Cependant, en dépit d’un contrôle adéquat de la PIO, la maladie continue à progresser chez certains patients. Cela montre qu’il existe d’autres facteurs impliqués dans la pathogenèse du glaucome. Des études récentes indiquent qu’un dérèglement de l’oxygène est associé à son développement. En utilisant une nouvelle technologie multi-spectrale capable de mesurer la saturation en oxygène (SaO2) dans les structures capillaires de la rétine, cette étude tentera de déterminer si un état d’oxygénation anormal pourrait se retrouver à la papille optique des patients souffrant de glaucome. Une meilleure compréhension du rôle de l’oxygène pourrait aider à améliorer le pronostic du glaucome. Les résultats de l’étude indiquent que le facteur de position (supérieure, temporale et inférieure de la papille optique) n’a aucun effet sur la mesure SaO2 ainsi que sa variabilité chez les patients normaux. La comparaison de la SaO2 entre les sujets normaux et glaucomateux ne montre pas de différence statistiquement significative. En conclusion, la SaO2 «normale» mesurée dans les yeux glaucomateux n'exclut pas nécessairement que l'hypoxie ne soit pas impliquée dans la pathogenèse. Au moment de l’étude, la PIO était bien contrôlée par des médicaments topiques, ce qui pourrait influencer l’oxygénation à la papille optique.

Un micro-bolomètre supraconducteur: de la conception à l'utilisation au laboratoire

Pour augmenter sa compréhension du monde qui l’entoure, le physicien moderne ne cesse de travailler au développement d’outils théoriques ou expérimentaux pour l’aider à répondre à ses questions fondamentales. Une partie de ces chercheurs tente de répondre à une question bien définie, mais simultanément très vague : qu’est-ce que le bruit électro- nique? Guidés par cette idée, certains étudient des dispositifs comme la jonction tunnel ou la jonction Josephson, alors que d’autres travaillent à l’amélioration des méthodes de détection du bruit. Le présent mémoire de maîtrise traite donc de la conception d’un outil de détection bien particulier, le micro-bolomètre supraconducteur de niobium-titane-niobium. La théorie derrière le fonctionnement d’un tel dispositif est expliquée à l’aide d’une comparaison entre un bolomètre conventionnel et un bolomètre supraconducteur. Des concepts comme la sensibilité d’un détecteur, la conductance thermique et la méthode d’utilisation sont présentés. Les étapes du procédé de fabrication sont ensuite explicitées dans les moindres détails. Finalement, les propriétés électroniques d’un tel micro-bolomètre sont analysées à l’aide de la courbe caractéristique courant-tension, de la courbe de transition supraconductrice en température et de dfférentes mesures en réflectométrie. La puissance équivalente de bruit (NEP) mesurée est de l’ordre de 10[indice supérieur −17] W/√Hz et le temps caractéristique de détection est de 1.43 μs. Le dispositif présenté dans ce mémoire a un avantage important par rapport aux bolomètres supraconducteurs généralement utilisés : il ne nécessite pas de courant de polarisation continu pour le mettre en fonctionnement. Ceci peut résulter en divers avantages technologiques.