Interaction lumière-milieux biologiques Flashcards
- Comment fonctionne un laser continu
- comment exprime-t-on sa puissance?
- Un laser continu émet un flux d’énergie constant dans le temps.
- Puissance P = énergie émise par seconde
- P= E/t (en Watts= J/s)
Exemples de lasers continus
Nd:YAG, CO₂, diode-laser, Argon, He-Ne
Quels sont les paramètres qui caractérisent le fonctionnement d’un laser pulsé?
Quelle est la différence entre un laser continu et un laser pulsé en termes de puissance?
- Quels sont les deux types de puissance dans un laser pulsé
- Comment les calcule-t-on ?
-
Puissance moyenne (Pm)
→ Moyenne du flux d’énergie par seconde.
Pm = ε/T
avec :- ε = énergie d’une impulsion (J)
- T = période entre deux impulsions (s)
** Puissance crête (Pp)**
→ Puissance pendant l’impulsion
Pp = ε/τ
τ = durée de l’impulsion (s)
Quels sont les 4 effets possibles d’un faisceau lumineux sur un tissu biologique ?
** 1. Effet thermique → chaleur
2. Effet photoablatif → rupture de liaisons moléculaires
3. Effet électromécanique → création d’un plasma
4. Effet photochimique → activation d’un agent chimique**
Quels types d’effets un faisceau lumineux peut-il produire sur un tissu biologique selon l’irradiance et la durée d’exposition ?
Qu’est-ce que l’optique tissulaire ?
-
L’optique tissulaire consiste à :
- Mesurer les propriétés optiques des tissus
- Calculer la distribution spatiale et temporelle de l’énergie lumineuse à l’intérieur du tissu
- Qu’est-ce que l’irradiance (ou taux de fluence)
- Comment la calcule-t-on ?
Qu’est-ce que la fluence et comment se calcule-t-elle ?
Quelle est la différence entre l’irradiance et la fluence ? Donne leurs formules.
Quelle est la relation entre l’irradiance et la fluence ?
Quels sont les principaux paramètres d’irradiation et leur relation ?
Quels sont les trois types d’interaction de la lumière avec un tissu biologique?
Qu’est-ce que la réflexion spéculaire et comment est-elle liée à l’indice de réfraction ?
Réflexion spéculaire : se produit à l’interface de deux milieux d’indices différents séparés par une surface lisse.
* Loi : θ₁ = θ₃ (angle d’incidence = angle de réflexion)
* Indice de réfraction : n = c / v
* c : vitesse de la lumière dans le vide
* v : vitesse de la lumière dans le milieu
Quelles sont les lois qui régissent la réflexion et la réfraction de la lumière ?
Quels sont les indices de réfraction typiques des tissus biologiques dans le visible ?
De quoi dépend le taux de réflexion R (ou réflectance) à l’interface air/tissu ?
Le taux de réflexion R dépend:
* de l’angle d’incidence i
* du rapport des indices de réfraction n1/n2 entre les deux milieux
📈 Remarque : Plus l’angle d’incidence augmente, plus la réflectance augmente.
Quelle est la différence entre réflexion spéculaire et réflexion diffuse?
- Réflexion spéculaire : se produit sur une surface lisse → les rayons sont réfléchis dans une direction bien définie.
- Réflexion diffuse : se produit sur une surface irrégulière → les rayons sont réfléchis dans toutes les directions
Quel tissu présente la réflexion la plus élevée et quel la plus faible?
A. Foie
B. Poumon
C. Estomac
D. Derme
- élevée => derme
- faible => foie
Quel est l’évènement à l’origine de l’effet thérapeutique produit par la lumière laser ?
L’absorption de la lumière par les tissus
Qu’est-ce que l’absorption en optique tissulaire ?
- C’est un processus sélectif selon la longueur d’onde
- impliquant des transitions entre états d’énergie moléculaires
Comment sont organisés les états d’énergie dans un atome ?
- Les atomes possèdent des niveaux d’énergie discrets et définis
- L’énergie est quantifiée, avec un état fondamental (E₁) et des états excités (E₂…).
Quelles sont les composantes de l’énergie totale d’une molécule ?
L’énergie totale Et est la somme de :
* l’énergie électronique Eelect
* l’énergie vibrationnelle Evib
* l’énergie rotationnelle Erot
* l’énergie translationnelle Etrans
📝 Seule l’énergie de translation n’est pas quantifiée.
Qu’est-ce que le diagramme de Jablonski représente ?
Pourquoi l’absorption est-elle sélective en longueur d’onde?
- Parce que seuls les photons dont le quantum d’énergie correspond à un niveau d’énergie autorisé de la molécule peuvent être absorbés.
👉 L’absorption est un phénomène discret, lié aux transitions entre états électroniques, vibrationnels et rotationnels.
Énergie des transitions :
E₍rotation₎ < E₍vibration₎ < E₍électronique₎
Que se passe-t-il après l’absorption d’un photon par une molécule (au niveau microscopique) ?
- Après l’absorption, plusieurs phénomènes peuvent se produire :
- Conversion interne : relaxation non radiative entre états singulets (S₂ → S₁)
- Fluorescence : émission d’un photon lors du retour à l’état fondamental depuis S₁ → S₀
- Conversion intersystème : passage de S₁ à T₁ (état triplet)
- Phosphorescence : émission lumineuse plus lente depuis T₁ → S₀
- Chaleur : libération d’énergie par collisions (relaxation non radiative)
🧪 Représenté dans un diagramme de Jablonski
Qu’est-ce qu’un spectre d’absorption et comment est-il construit ?
Le spectre d’absorption est une courbe de niveau qui représente l’absorption de lumière par une molécule en fonction de la longueur d’onde.
🔹 Axe des abscisses : longueurs d’onde (λ), déterminées par les niveaux d’énergie de la molécule.
🔹 Axe des ordonnées : intensité d’absorption, liée à la probabilité des transitions électroniques.
📌 Chaque molécule a un spectre d’absorption spécifique.
Que décrit la loi de Beer-Lambert et quelle est son expression mathématique ?
La loi de Beer-Lambert décrit la diminution de l’intensité lumineuse lorsqu’elle traverse un milieu homogène absorbant.
🔹 Elle relie l’intensité transmise I(z) à la profondeur z dans le milieu.
🔹 L’absorption est proportionnelle à l’intensité et à l’épaisseur traversée.
Quelle est l’expression de la loi de Beer-Lambert et que représente le coefficient μa ?
De quoi parle la loi de Beer-Lambert?
C’est est une loi physique qui décrit comment la lumière est absorbée lorsqu’elle traverse un milieu (comme un tissu, une solution, etc.)
- Donnez la formule de la loi de Beer-Lambert
- expliquez chacun de ses composants
Que signifie la formule de Beer-Lambert?
👉 Plus la lumière pénètre profondément dans le milieu, plus elle est absorbée.
👉 L’intensité diminue exponentiellement avec la profondeur
👉 La vitesse de cette diminution dépend de μa :
* Si μa est grand → forte absorption
* Si μa est petit → faible absorption
👉 La lumière perd de son intensité en traversant un milieu absorbant
- Pourquoi l’intensité diminue-t-elle de manière exponentielle?
- Parce qu’à chaque petite couche de tissu, une fraction constante de la lumière est absorbée
=> d’où la décroissance exponentielle.
Qu’arrive-t-il à la lumière si μa est très grand?
Elle est absorbée rapidement
- donc I(z) chute fortement même pour une petite profondeur
- De quoi dépend le coefficient μa?
- Quelle est son unité ?
- Du type de molécule présente dans le tissu et de la longueur d’onde utilisée
- Le cm⁻¹ (centimètre inversé)
Que signifie la profondeur de pénétration?
δ = 1/μa
C’est la profondeur à laquelle la lumière a perdu une partie de son intensité initiale
En une phrase, que dit la loi de Beer-Lambert?
L’intensité lumineuse diminue exponentiellement en traversant un milieu absorbant, selon un facteur dépendant de la profondeur et du coefficient d’absorption
Comment varie l’absorption des différents chromophores en fonction de la longueur d’onde, notamment dans la fenêtre biologique?
- Chaque chromophore (protéines, mélanine, Hb, HbO₂, eau, collagène…) possède un spectre d’absorption spécifique selon la longueur d’onde.
- Dans la fenêtre biologique (environ 0,6 à 1,2 µm), l’absorption par les chromophores est faible, ce qui permet à la lumière de mieux pénétrer dans les tissus.
- Cette zone est donc optimale pour les applications thérapeutiques par laser.
- Comment varie l’absorption des chromophores (eau, mélanine, oxyhémoglobine) en fonction de la longueur d’onde?
- Quelles longueurs d’onde sont utilisées par les différents types de lasers médicaux ?
Comment varie l’absorption de l’oxyhémoglobine et de la désoxyhémoglobine selon la longueur d’onde ?
(entre 400 et 1000 nm)
Dans quelle plage de longueurs d’onde l’eau présente-t-elle un coefficient d’absorption significatif ?
- Entre 200 nm et 2000 nm
- avec une augmentation marquée au-delà de 1000 nm
Quelle est la plage d’absorption principale de la mélanine ?
- Entre 200 nm et 700 nm
- avec une absorption plus élevée dans les courtes longueurs d’onde (proche de 300–400 nm)
Quelle est la différence principale entre les figures d’interférence observées dans l’expérience de Young et celles issues de la diffusion multiple ?
Expérience de Young : interférence de deux ondes → franges régulières
** Diffusion multiple : interférences entre un très grand nombre de chemins aléatoires → figure de speckle**
👉 Le speckle est un phénomène complexe à cause du grand nombre de degrés de liberté.
- Qu’est-ce que la diffusion élastique?
- Quelles sont ses causes principales ?
- La diffusion élastique est un changement de trajectoire du photon sans perte d’énergie
- Elle est due à :
- l’hétérogénéité du tissu
- une différence d’indice de réfraction entre le milieu et des particules de taille comparable à la longueur d’onde
- De quoi dépend l’intensité diffusée lors d’une diffusion élastique ?
- Quelles sont les deux grandes catégories de diffusion selon la taille des particules ?
Quels sont les 3 paramètres caractéristiques de la diffusion lumineuse dans un tissu ?
Explique-les brièvement
Qu’est-ce que la fonction de phase p(s,s′)?
Qu’est-ce que le facteur d’anisotropie g = ⟨cos θ⟩?
De quoi dépend la distribution de l’intensité de la lumière diffusée lors d’un événement de diffusion élastique ?
- Elle dépend de l’angle de déflexion θ, et est décrite par le facteur d’anisotropie g = ⟨cos θ⟩
- Quelles sont les caractéristiques de la diffusion Rayleigh?
- Dans quelles conditions se produit-elle ?
- Pourquoi le ciel est-il bleu et le soleil rouge au coucher ?
- Quel rôle joue la diffusion Rayleigh ?
Pourquoi la couleur dépend de la longueur d’onde ?
- Pourquoi le ciel est bleu?
- Pourquoi le soleil est rouge au coucher?
- En plein jour, la lumière du Soleil traverse l’atmosphère. Les molécules d’air diffusent préférentiellement la lumière bleue, donc on voit le ciel bleu dans toutes les directions.
- Le soir (ou le matin), la lumière du soleil passe à travers une plus grande épaisseur d’atmosphère.
✅ La lumière bleue est totalement diffusée dans d’autres directions
✅ Il reste principalement la lumière rouge/orange qui atteint directement nos yeux
- Qu’est-ce que la théorie de la diffusion de Mie?
- Quels sont les deux paramètres qui la décrivent ?
- Comment le coefficient de diffusion (μₛ) varie-t-il avec la longueur d’onde selon la théorie de Mie?
- Quel est l’effet de la taille des particules sur cette variation ?
Qu’est-ce que le facteur d’anisotropie g en diffusion élastique et comment interpréter sa valeur?
Quels types de structures cellulaires sont responsables de la diffusion de Rayleigh et de Mie en diffusion élastique ?
- Quels sont les principaux centres diffuseurs de la peau?
- Quelles sont leurs caractéristiques?
Qu’est-ce que le coefficient de diffusion μs et de quoi dépend-il ?
Dans quel domaine s’applique le régime de diffusion?
Quelles sont les hypothèses associées ?
Quels sont les paramètres utilisés dans le régime de diffusion, et les formules associées ?
Quelle est la signification du libre parcours moyen de transport (mfp’) dans le régime de diffusion, et quelle est sa relation avec l’anisotropie ?
Quels sont les principaux coefficients optiques utilisés pour décrire la propagation de la lumière dans un tissu biologique, et quelles sont leurs valeurs typiques?
Quels sont les ordres de grandeur typiques des coefficients optiques (μₐ, μₛ, g) dans différents tissus biologiques?
- Le sang a un très fort coefficient de diffusion (μₛ) et une anisotropie très élevée (g proche de 1)
- Le côlon et la prostate présentent également une forte anisotropie
- Le derme et l’épiderme présentent des valeurs modérées, dépendant de la longueur d’onde
- Quels sont les trois types de lumière transmis dans un milieu diffusant
- Comment diffèrent-ils en termes de trajectoire et d’arrivée temporelle ?
- Qu’est-ce que la fenêtre thérapeutique?
- Quelles sont ses conséquences sur la propagation de la lumière dans les tissus ?
Comment varie la pénétration de la lumière dans les tissus selon la longueur d’onde?
Quels sont les types de photons observés lors de la diffusion dans les milieux biologiques ?
Quelles sont les différences entre l’imagerie optique avec photons balistiques et avec photons multi-diffusés?
Quels sont les résultats principaux du point de vue macroscopique de l’absorption (loi de Beer-Lambert)?
Quelle est la différence entre la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie?
Quels sont les deux principaux paramètres caractéristiques de la diffusion élastique?
Comment évolue l’intensité des photons balistiques dans un milieu diffusant et absorbant?
Comment évolue l’intensité des photons diffusés dans le régime de diffusion?
Quels sont les principaux types d’interaction laser-tissu en fonction du temps d’exposition?
Quelle est l’application principale des lasers excimères en ophtalmologie?
Pourquoi utilise-t-on un fonctionnement laser impulsionnel (ultrarapide) plutôt que continu?
Quels sont les principaux chromophores ciblés en thérapie laser et comment varient leurs coefficients d’extinction en fonction de la longueur d’onde ?
Quelles sont les caractéristiques et les applications du laser Er:YAG?
Pourquoi les nanoshells en or sont-ils idéaux pour l’interface nano–bio?
