De la physique de l’interaction laser-tissu biologique à l’imagerie élémentaire médicale

The presence and/or accumulation of exogenous elements linked to environmental and/or occupational exposures induce serious pathologies such as cancers or cardiac problems. However, routine analyses for diagnosis do not detect and characterize these elements in the form of low-concentration particles. To overcome this problem, the medical profession is increasingly turning to basic imaging techniques. In this context, we propose to use Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) to perform these analyses. LIBS is a highly sensitive optical spectroscopy technique that allows to obtain, with a single laser shot, the elemental composition of the ablated area with an excellent sensitivity that can reach ppm for most elements. With LIBS imaging, we can scan complete sample surfaces of a few centimeters with analysis steps of up to 10 µm. However, such spatial resolution associated with these detection limits are only possible for "hard" materials. Biological tissues such as human biopsies are usually embedded in paraffin, which is considered to be a much softer material. First results, obtained within the team, have shown the feasibility of analysis on these paraffin embedded tissues but with a limited analysis step (60 µm) and a low perfectible sensitivity. The aim of this thesis work is, through the study of material laser interaction and the optical properties of the generated plasma, to optimize LIBS analysis in the case of soft materials in order to significantly improve the spatial resolution and sensitivity of the method. In addition, a calibration procedure has made the LIBS technique quantitative. This important step towards the quantitative imaging of exogenous particles allowed to launch the first clinical study on lung tissue using LIBS imaging. This prospective clinical study gathers more than 100 samples from different French hospitals. A control sample base has also been created in order to establish reference thresholds for medical purposes. The ultimate objective of this clinical study is to find a correlation between idiopathic lung diseases (without known cause) and certain exogenous elements present in the tissuesLa présence et/ou accumulation d’éléments exogènes liée à des expositions environnementales et/ou professionnelles induisent des pathologies graves telles que des cancers ou des problèmes cardiaques. Cependant, les analyses de routine pour le diagnostic ne permettent pas de détecter et de caractériser ces éléments sous forme de particules en faible concentration. Pour pallier ce problème, le corps médical se tourne de plus en plus vers les techniques d’imagerie élémentaires. Dans ce cadre, nous proposons d’utiliser l’imagerie par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS pour Laser Induced Breakdown Spectroscopy) pour réaliser ces analyses. La LIBS est une technique de spectroscopie optique très sensible qui permet d’obtenir, à l’aide d’un seul tir laser, la composition élémentaire de la zone ablatée avec une excellente sensibilité pouvant atteindre le ppm pour la majorité des éléments. Avec l’imagerie LIBS, nous pouvons scanner des surfaces complètes d’échantillons de quelques centimètres avec des pas d’analyse pouvant atteindre 10 µm. Cependant, de telle résolution spatiale associée à ces limites de détection sont possible que pour des matériaux « durs ». Or les tissus biologiques tels que les biopsies humaines sont généralement insérés dans la paraffine, matériau considéré comme bien plus mou. Des premiers résultats, obtenus au sein de l’équipe, ont montré la faisabilité d’analyse sur ces tissus inclus en paraffine mais avec un pas d’analyse limité (60 µm) et une faible sensibilité perfectible. Ces travaux de thèse ont pour but, au travers de l’étude de l’interaction lasers matière et des propriétés optiques du plasma généré, d’optimiser l’analyse LIBS au cas des matériaux mous afin d’améliorer de manière significative la résolution spatiale et la sensibilité de la méthode. De plus, une procédure de calibration a permis de rendre la technique LIBS quantitative. Cette étape importante vers l’imagerie quantitative de particules exogènes a permis de lancer la première étude clinique sur tissus pulmonaire faisant appel à l’imagerie LIBS. Cette étude clinique prospective regroupe plus de 100 échantillons en provenance de différents hôpitaux français. Une base d’échantillon contrôle a également été créée dans le but d’établir des seuils de références pour le médical. L’objectif final de cette étude clinique est à terme de trouver une corrélation entre les maladies pulmonaires idiopathiques (sans cause connues) et certains éléments exogènes présents dans les tissu