Microscopie tridimensionnelle par tomographie par cohérence optique 


Depuis une décennie, les techniques optiques connaissent un essor sans précédent pour l’analyse et la caractérisation des objets patrimoniaux, car elles présentent l’avantage crucial d’être non invasives pour l’objet étudié. Un premier enjeu est d’accéder à une imagerie tridimensionnelle (3D) à l’échelle du micromètre. Ceci permet d’obtenir une stratigraphie virtuelle de l’objet analysé, évitant ainsi le prélèvement ou, tout au moins, permettant de multiplier les zones analysées en amont, afin de sélectionner la zone de prélèvement la plus intéressante ou orienter une analyse chimique par la suite. Un second enjeu majeur pour la communauté est de disposer de systèmes qui soient transportables et qui permettent l’analyse d’objets parfois volumineux et de forme complexe. La tomographie par cohérence optique, généralement appelée par son acronyme OCT (Optical Coherence Tomography), permet de répondre à ces deux enjeux.

Afin de comprendre le principe de cette technique, il est possible de faire une analogie avec l’échographie ultrasonore. Dans le cas de l’échographie, une onde ultrasonore se propage dans le corps humain et les différents échos de cette onde sont enregistrés au cours du temps. Plus le temps de trajet est long, plus la structure à l’origine de l’écho (réflexion de l’onde) est profonde. La mesure du temps permet ici de mesurer une distance. Dans le cas de l’OCT, les ultrasons sont remplacés par la lumière et la mesure du temps de parcours se fait à l’aide de l’interférométrie. L’information collectée par OCT est liée aux phénomènes de réflexion et de diffusion de la lumière dans l’objet étudié. Cela signifie qu’il est possible de détecter des interfaces entre différents matériaux ou des particules diffusantes (pigments, charges, poussières). L’OCT permet d’accéder à une information morphologique tridimensionnelle (3D), mais en aucun cas il n’est possible de déterminer la nature des matériaux traversés ou rencontrés[1].

Image OCT d’un vernis à la surface d’une couche picturale. Cette image est équivalente à une coupe stratigraphique virtuelle. En partant du haut de l’image (surface de l’objet) : une première interface nette et brillante : l’interface entre l’air et le vernis ; deux interfaces moins visibles : le vernis est composé de trois couches successives ; une dernière interface plus diffusante : la couche picturale

Dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire d’Optique et Biosciences (Ecole Polytechnique-IP Paris, CNRS, Inserm) et l’entreprise DAMAE Medical, et grâce au financement du domaine d’intérêt majeur Matériaux anciens et patrimoniaux de la région Île-de-France, avec les soutiens complémentaires de l’Ecole Polytechnique et de l’Equipex Morphoscope2 (ANR-11-EQPX-0029), un système d’imagerie OCT complémentaire de ceux déjà disponibles au sein de la communauté des sciences du patrimoine a été développé : un Line-field Confocal OCT (LC-OCT)[2]. Les deux principales originalités par rapport aux OCT développées en sciences du patrimoine résident dans la résolution spatiale optimisée et dans l’accès à deux modes d’imagerie (à air et en immersion à eau). Voici quelques-unes de ses caractéristiques :

  • Une résolution spatiale isotrope dans les trois directions de l’espace, de l’ordre de 1 µm
  • Une imagerie dans l’air (distance de travail de l’ordre de quelques millimètres) ou dans l’eau
  • Une imagerie en temps réel 2D selon deux coupes possibles (parallèle à la surface de l’objet ou transverse) ou une imagerie 3D.
  • Un champ de vue de 1,2 x 0,5 mm² qui peut être élargi avec un système de déplacement de l’échantillon permettant de réaliser des mosaïques
  • Un système transportable pour aller au plus près des collections
Système LC-OCT au Laboratoire d’Optique et Biosciences. Le système d’imagerie permet ici d’analyser l’épaisseur d’une couche de vernis à la surface d’une peinture de chevalet

Depuis son acquisition en octobre 2020, les premières expérimentations ont permis de montrer l’intérêt de cette technique pour une caractérisation de la morphologie d’un objet ou échantillon. L’OCT est ainsi l’outil idéal pour la caractérisation d’une couche de vernis superficielle : cuirs dorés ou vernis utilisé dans les peintures de chevalet ou sur les instruments de musique[3]. Il est possible de mesurer précisément l’épaisseur de la couche de vernis ou de suivre l’évolution de cette épaisseur lors d’un allègement de vernis. Dans le cas de plusieurs couches stratifiées, l’imagerie OCT donne accès à ces différentes interfaces. Enfin, la présence éventuelle de particules diffusantes peut être identifiée.

Le mode à immersion à eau a pu être testé pour l’analyse de collections en fluide, dans ce cas de spécimens qui sont immergés dans une solution afin de garantir leur préservation. Il est alors possible d’accéder à une information morphologique concernant la structure de la peau et les différentes couches qui la constituent. Un suivi de cette morphologie en fonction des liquides de fixation et de conservation peut être envisagé. D’autres applications sont également explorées depuis quelques années parmi lesquelles on peut citer l’étude de manuscrits, des verres et des faïences[4].

En conclusion, la technique de LC-OCT apporte des informations précieuses sur la morphologie 3D d’un objet à l’échelle du micromètre dans les trois directions de l’espace. Toutefois, il est important de garder en tête que cette technique est basée sur un aller-retour de la lumière dans l’objet. L’imagerie est ainsi possible uniquement pour des couches faiblement diffusantes ou absorbantes. Enfin, pour accéder à une information sur la nature des matériaux présents, il est nécessaire de coupler les analyses OCT avec d’autres techniques analytiques.

Pour citer ce billet : Gaël Latour. Microscopie tridimensionnelle par tomographie par cohérence optique. Les carnets de l’archéométrie, 22/11/2022, https://gt3cairn.hypotheses.org/?phttps://gt3cairn.hypotheses.org/?p=660

Gaël Latour est physicien, spécialiste en optique, enseignant-chercheur à l’Université Paris-Saclay, Laboratoire d’Optique et Biosciences (Ecole Polytechnique-IP Paris, CNRS, Inserm)

Bibliographie
[1] G. Latour and L. Robinet, “La microscopie optique tridimensionnelle, de l’imagerie biomédicale à la caractérisation des objets du patrimoine,” in Instrumentation portable : quels enjeux pour l’archéométrie ? (Sciences archéologiques, 2019), p. 18
[2] A. Dubois et al., “Line-field confocal optical coherence tomography for high-resolution noninvasive imaging of skin tumors,” Journal of Biomedical Optics, vol. 23, no. 10, pp. 1 – 9 – 9, 2018
[3] G. Latour et al., “Structural and optical properties of wood and wood finishes studied using optical coherence tomography: application to an 18th century Italian violin,” Appl. Opt. 48(33), 6485 (2009)
[4] P. Targowski et al., “OCT for Examination of Artwork,” in Optical Coherence Tomography, W. Drexler and J. G. Fujimoto, eds. (Springer International Publishing, 2015), pp. 2473–2495

Financements
Le LC-OCT développé pour le Laboratoire d’Optique et Biosciences a bénéficié d’un financement du domaine d’intérêt majeur Matériaux anciens et patrimoniaux de la région Île-de-France, avec les soutiens complémentaires de l’Ecole Polytechnique et de l’Equipex Morphoscope2 (ANR-11-EQPX-0029).


OpenEdition vous propose de citer ce billet de la manière suivante :
Gaël Latour (29 novembre 2022). Microscopie tridimensionnelle par tomographie par cohérence optique . Les carnets de l’archéométrie. Consulté le 18 juillet 2024 à l’adresse https://doi.org/10.58079/p934


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