Ce texte a été préparé pour «le Dictionnaire mondial des images» publié sous la direction de Laurent Gervereau par Nouveau Monde Editions 2006








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Ce texte a été préparé pour « le Dictionnaire mondial des images » publié sous la direction de Laurent Gervereau par Nouveau Monde Editions 2006

Les techniques de l’imagerie scientifique



Paul Caro

Directeur de recherche honoraire au CNRS
Encadré chronologique
1609 lunette astronomique

1650 microscope

1671 télescope à miroir

1839 découverte de la photographie

1840 découverte de l’effet Doppler

1859 spectrographie

1878 débuts des techniques du cinéma

1880 découverte de l’effet piézoélectrique

1887 découverte des ondes radio

1895 découverte des rayons X

1897 découverte de l’électron

1931 microscope électronique

1950 premières techniques échographiques

1953 microscope électronique à balayage

1957 premier satellite artificiel

1958 invention du laser

1980 débuts des microscopies « à effet tunnel »

Histoire des images



L’image scientifique débute réellement avec l’utilisation d’instruments par les chercheurs. Les premiers d’entre eux sont optiques. C’est en 1608 qu’un fabricant de lunettes de Middleburg en Hollande, Hans Lippershey, a inventé la lunette d’approche dont les avantages militaires sont évidents mais qui devait être appliquée à l’observation des astres par Galilée en Août 1609 créant ainsi la première application scientifique qui se traduisait par des images, dessins reproduisant l’observation visuelle. A la même époque le télescope ou tube optique est également en service (pour des raisons militaires également). Le télescope à miroir, montage dit newtonien, fût utilisé par Newton à partir de 1671 et l’appareil a été constamment perfectionné depuis.
L’invention du microscope est due également à la capacité acquise par la technologie du début du XVIIème siècle de fabriquer des lentilles de verre de bonne qualité. Vers 1650 le microscope permet la découverte des bactéries et l’observation de la morphologie de petits insectes (comme les poux). Les principaux opérateurs scientifiques sont le hollandais Antoine van Leeuwenhoek et l’anglais Robert Hooke qui publient des ouvrages avec des illustrations (« Micrographia » 1665).
Le spectrographe permet grâce au prisme ( Newton 1666) l’analyse de la lumière émise par une source. Galilée avait découvert les taches solaires en 1609, le spectre solaire fut étudié en 1814 par le physicien allemand Joseph von Fraunhoffer qui posa les principes de l’astrophysique développés plus tard en 1859 par son compatriote Gustav Kirchhoff qui devait introduire la spectroscopie en chimie, étendue bientôt à l’Univers visible. Depuis les spectrographies se sont multipliées et sont sources de nombreuses images en particulier des images de la Terre obtenues depuis les satellites artificiels (Sputnik 4 octobre 1957).
L’exploration tout au long du XIXème siècle de toute l’étendue du spectre électromagnétique a créé de nouveaux types d’images scientifiques. L’une des plus remarquables découvertes est celle des rayons X. Wilhem Konrad Röntgen (1845-1923) découvrit les rayons X le 8 novembre 1895. Il s’aperçut tout de suite que les rayons X permettaient d’obtenir des images de l’intérieur du corps comme le montre le cliché célèbre de la main de sa femme. En effet les atomes légers, de faible numéro atomique, qui composent les chairs molles du corps n’absorbent pas les rayons X, par contre le squelette composé d’atomes plus lourds (comme le phosphore) les absorbent, il en résulte sur un écran sensible aux rayons X (fluorescent) un contraste qui produit une image montrant le squelette osseux. Les rayons X restent aujourd’hui une technique de choix pour l’obtention d’images médicales et ont un quasi monopole sur l’établissement des structures cristallines des matériaux qui forment la plus grande partie des images scientifiques du monde atomique et moléculaire.
Une autre découverte remarquable est, à l’autre extrémité du spectre électromagnétique, celle des ondes radio par Henrich Hertz (1857-1894) en 1887. Cette découverte va bouleverser la communication mais aussi, dans le domaine médical, les ondes radio interviennent aujourd’hui dans les procédés qui permettent d’obtenir des images de l’intérieur du corps par les méthodes de résonance magnétique.
Naturellement l’invention de la photographie (présentée officiellement par Arago à l’Académie des Sciences le 7 janvier 1839) a apporté à la science la possibilité d’enregistrer des images fidèles d’objets naturels ou artificiels et aussi de résultats d’expériences, le cinéma a apporté la possibilité de comprendre le mouvement (Edward Muybridge 1878, Etienne-Jules Marey, fusil photographique, 1882).
Une autre étape majeure dans l’histoire de l’image scientifique sera la découverte du microscope électronique dont les premières images ont été présentées à Berlin le 4 juin 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska. Le contrôle du déplacement d’une fine sonde électronique à la surface de l’échantillon donnera lieu plus tard, en 1953, à la mise au point en Angleterre du microscope électronique à balayage, devenu un outil industriel très important pour l’observation des surfaces.
Dans l’entre deux guerres des recherches intenses furent conduites pour mettre au point la détection et l’observation d’objets mobiles distants par la mesure de la réflexion d’ondes électromagnétiques permettant de repérer les directions et d’évaluer les distances. Les meilleures longueurs d’onde pour ces dispositifs « radar » se situaient dans le domaine décimétrique et le problème essentiel a été de mettre au point des sources de rayonnement adaptées. Les techniques radar ont apporté dans le domaine purement scientifique des images, par exemple celles de la surface de la planète Vénus obtenues à partir d’une sonde embarquée sur un véhicule interplanétaire.
Le laser un appareil qui produit un rayonnement monochromatique et cohérent utilisé aujourd’hui dans un très grand nombre d’applications parmi lesquelles des techniques d’imagerie est apparu à la Bell Telephone aux Etats Unis en 1958.
Les premières études sur l’utilisation des ondes sonores pour l’exploration des milieux denses ont eu lieu dès 1830 dans le Lac de Genève. La découverte de l’effet Doppler en 1840 a montré que les fluctuations de la fréquence sonore émise par un objet en mouvement (véhicule) permettaient d’évaluer la direction et la vitesse du déplacement. La découverte de l’effet piézoélectrique par Pierre Curie en 1880 a permis d’obtenir commodément des sources d’ultrasons employées à partir des années 1950 comme outils de diagnostic médical devenu routine (échographie) dans les années 1970, technique complétée par l’utilisation du phénomène Doppler pour examiner les structures vasculaires et le déplacement du sang.
L’appareil scientifique
Les images scientifiques instrumentales sont obtenues sur le principe général suivant : le rayonnement d’une source interagit avec la matière dans un dispositif (par exemple un microscope ou un télescope dont l’optique va produire une image agrandie de l’objet) et un détecteur observe les résultats de l’interaction, c’est à dire l’image agrandie. Ce détecteur peut être une pellicule photographique ou un système sensible numérique qui donne directement une image et c’est l’œil et le savoir de l’observateur qui vont interpréter le sens de celle-ci. Ou encore le détecteur va observer la diffraction ou la diffusion du rayonnement par l’objet.
L’exemple des rayons X
Un exemple important est celui des rayons X. Comme ils ont une courte longueur d’onde, ils seront diffractés et diffusés par les atomes d’un cristal dans des directions géométriques précises qui dépendent uniquement de l’arrangement des atomes et de leur nature chimique. Un détecteur rassemble ces informations sous la forme d’un tableau de chiffres. Pour passer à l’image ce tableau a besoin d’être interprété par l’interface d’une théorie et au moyen d’un ordinateur qui permet les calculs assez abstraits nécessaires. C’est seulement dans les années 1960 que des calculateurs assez puissants sont apparus qui ont permis d’établir avec précision la structure des matériaux un peu complexes. Pour les composés biologiques, comme les protéines, le rayonnement synchrotron qui comporte un puissant faisceau de rayons X qui peut être utilisé comme source, est aujourd’hui privilégié.
La microscopie électronique
Pour les faisceaux d’électrons qui permettent également d’accéder aux dimensions inter atomiques (microscope électronique), parce que la longueur d’onde associée est courte, les diffractions sont utilisées pour former des images qui peuvent permettre d’observer par exemple des colonnes d’atomes mais avec l’inconvénient qu’à un même objet expérimental (par exemple une couche mince d’un matériau) peuvent correspondre selon le réglage de l’optique de l’instrument (défocalisation) plusieurs images différentes qui n’ont en commun que les symétries mathématiques présentées par l’objet observé. Pour résoudre cette ambiguité il faut comparer les séries expérimentales avec des séries d’images calculées par l’ordinateur à partir d’un modèle imaginé de la structure et de la théorie de l’interaction rayonnement-matière. L’ordinateur est donc le compagnon essentiel de l’instrument qui permet soit d’établir les images soit de comprendre à quoi elles correspondent. Les microscopes électroniques à haute résolution sont des appareils de haute technologie dont le pilotage est délicat et qui exigent des opérateurs de talent capables de percevoir le moment ou il faut déclencher la prise d’un cliché. Avec les faisceaux d’électrons, certains effets secondaires peuvent être utilisés pour obtenir un signal de nature spectrographique (analyse de l’énergie de particules émises par les points de l’échantillon sous le bombardement d’électrons) qui permet d’identifier les éléments chimiques dans l’échantillon et donc d’en établir la répartition cartographique superposée à l’image.

Les images de surface
D’autres appareils, comme le microscope électronique à balayage, ne font qu’observer la surface de l’échantillon (qui n’a pas alors à être aminci pour pouvoir être traversé par les faisceaux). Les images montrent alors des « paysages atomiques » avec des accidents comme des falaises, des terrasses, des gouffres, des crevasses, accidents géographiques importants puis qu’ils sont très souvent le site de réactions chimiques à la surface d’un matériau ou la cause de mouvements « tectoniques » (glissements, fractures, joints de grain) à l’échelle atomique. La connaissance de ces mouvements est importante pour comprendre les propriétés mécaniques du matériau.
Un autre type d’instrument d’observation des surfaces est le « microscope à effet tunnel ». Alors que les différents microscopes (ou télescopes d’ailleurs) sont des extensions des pouvoirs de l’œil, ce type de microscope est une extension du sens du toucher. Une fine pointe de tungstène avec un seul atome de tungstène au bout palpe une surface de très près grâce aux possibilités des matériaux piézoélectriques qui permettent de contrôler le mouvement de la pointe avec une précision extrême. A l’approche de la surface un courant électrique passe entre l’échantillon et la pointe. On peut ainsi dessiner le contour des atomes sur une surface et la « cartographier », reconnaître la présence d’une molécule absorbée, etc… Il existe de nombreuses variantes de cette technique (microscope « à effet de force »)
L’usage des lasers
Le rayonnement monochromatique du laser peut être exploité pour exciter spécifiquement une fluorescence dans une molécule qui possède spontanément un chromophore (groupe moléculaire émetteur de lumière) ou qui a été « marquée » par la greffe d’un tel groupe. Cette propriété est surtout exploitée en biologie pour observer au microscope à des fins analytiques des préparations dont on souhaite contrôler la nature. On reconnaît ainsi la présence de molécules qui fluorescent à l’impact d’un faisceau laser (par exemple des fragments marqués d’ADN). En raison de la spécificité des sources laser on peut en utiliser plusieurs en même temps et donc obtenir une carte qui identifie la présence et la position de plusieurs molécules dans la préparation biologique.
Les appareils médicaux : cartographie sonore et RMN
L’onde sonore (généralement des ultrasons) est également une source qui permet d’obtenir des images. On peut l’utiliser pour obtenir des « images » de l’intérieur de la Terre (sismique) importantes pour la recherche d’hydrocarbure ou la géophysique mais l’application la plus connue est l’échographie. Celle-ci a été rendue possible et sans dangers pour le corps humain par le développement de détecteurs très sensibles. Le principe est le même que pour l’optique radar, on détecte les échos renvoyés par les différents points de l’objet irradié, ici des tissus biologiques, qui dépendent des réflexions et des différences de vitesse de l’onde sonore selon les matériaux traversés. L’objectif essentiel est d’obtenir des contrastes qui sont sources d’images que le praticien peut interpréter.
Les images obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN) s’appuient sur le repérage de l’eau dans les tissus vivants et sur les contrastes que la répartition inégale de l’eau dans le corps engendre. On exploite une propriété fondamentale de l’atome d’hydrogène de l’eau. Un champ magnétique lève la dégénérescence du niveau de base du noyau de l’atome d’hydrogène ce qui se traduit par l’éclatement de ce niveau de base en deux niveaux séparés par une énergie qui est dans le domaine des ondes radio, donc très petite. On balaye « l’échantillon » par des ondes radio pour repérer les endroits de la cible où cette onde est absorbée et donc où se trouve l’hydrogène de l’eau. On espère que l’opération sera la source de contrastes susceptibles de permettre une interprétation médicale. C’est également une cartographie.

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