La couleur du sang dans tous ses états. 2. L’apparence bleue des veines : une illusion d’optique !

Tous les chirurgiens vous le diront : lors de leurs opérations, ils voient les veines rouges au sein du corps. Pas étonnant puisque le sang qu’elles véhiculent est rouge sombre (voir le premier billet de cette série). Mais alors, comment expliquer que les veines apparaissent bleutées à travers la peau (Fig. 1) ?1 Question complexe qui fait encore l’objet d’articles scientifiques. La difficulté vient de la diversité des phénomènes qui entrent en jeu : la diffusion et l’absorption de la lumière aux différentes longueurs d’onde par la peau et les tissus, l’absorption de la lumière par les veines, leur diamètre et la profondeur à laquelle elles se situent. Sans oublier la façon dont notre système visuel perçoit les couleurs juxtaposées de la peau et des veines.

Fig. 1. Sur un avant-bras photographié à la lumière du jour, on distingue des veines d’apparence bleutée sur le fond rose de la peau. © Bernard Valeur

Une étude physique en profondeur

Des chercheurs allemands et canadiens ont mené en 1996 une étude très approfondie sur l’apparence bleutée des veines à travers la peau.2 Ils ont mesuré la fraction de lumière réfléchie (réflectance), à diverses longueurs d’onde, par un tube capillaire rempli de sang veineux (imitant une veine), et plongé dans une émulsion de graisse, un milieu très diffusant et peu absorbant (imitant la peau). Cette étude in vitro, accompagnée de simulations (du type Monte Carlo), était complétée par des mesures in situ sur une veine située sur la face interne du pouce. Voici les principales conclusions (telles qu’elles sont clairement résumées dans la référence 3).

  • À une profondeur de 2 mm, un vaisseau n’est pas atteint par la composante bleue de la lumière blanche incidente car nous avons vu dans le premier billet de cette série que cette composante pénètre moins profondément sous la peau que la composante rouge en raison des phénomènes d’absorption et de diffusion. Ce vaisseau est donc invisible de l’extérieur.
  • Un vaisseau situé à une profondeur de 0,05 mm, c’est-à-dire affleurant la surface, reçoit une lumière dont le spectre est peu différent de celui de la lumière incidente. Une grande partie est alors absorbée, sauf dans le rouge. Le rapport entre les composantes rouge (633 nanomètres) et bleue (450 nanomètres) de la lumière renvoyée est de 4,4, d’où l’apparence nettement rouge des vaisseaux affleurant la surface.
  • À une profondeur intermédiaire de 0,5 mm, un vaisseau est atteint par une faible fraction de la composante bleue de la lumière incidente du fait de son atténuation partielle. Dans ces conditions, la composante rouge renvoyée est nettement réduite par rapport à la situation précédente, mais elle reste prédominante : le rapport entre les composantes rouge et bleue de la lumière renvoyée est de 1,26. À l’aplomb du vaisseau, la lumière renvoyée est donc simplement « moins rouge ». Et pourtant, l’œil perçoit ce vaisseau bleuté !

Notre système visuel mis en cause

Les auteurs de l’étude ci-dessus mettent alors en cause le fonctionnement de notre système visuel. En effet, comme nous l’avons évoqué dans le billet du 22.05.2019, lorsque deux taches colorées sont juxtaposées, chacune influence la perception que nous avons de la couleur de l’autre. Il s’agit d’un effet physiologique décrit par le chimiste Michel Eugène Chevreul qui énonça en 1839 la loi du contraste simultané des couleurs. Ainsi, du fait que nos veines sont entourées de la couleur rose de la peau, elles nous apparaissent bleutées par un effet de contraste.

Pour s’assurer qu’il s’agit bien d’une illusion, examinons de plus près la photo de la figure 1. Un zoom sur une veine montre que celle-ci n’est en fait pas bleutée mais d’un gris tirant légèrement sur le rose (Fig. 2). Une analyse colorimétrique en deux points situés, l’un sur une veine, et l’autre, sur la peau révèle que la veine apparaît d’un rouge plus désaturé que la peau.4 C’est en des termes analogues que les auteurs de l’étude mentionnée ci-dessus concluent en employant l’expression (approximative) « moins rouge ».

Fig. 2. Les veines paraissent bleutées sur le fond rose de la peau, mais un zoom sur une petite portion d’une veine montre que la couleur, en absence de toute couleur adjacente, est en réalité grise, et plus précisément d’un gris tirant légèrement sur le rose (image en bas à droite). En comparaison, un zoom sur une petite portion de peau montre que celle-ci est d’un rouge moins désaturé et plus clair (image en bas à gauche).

Au final, c’est bien le contraste simultané des veines et de la peau juxtaposées qui donne l’illusion d’une apparence bleutée. Une fois encore, le cerveau nous berce d’illusions colorées ! Pour enfoncer le clou, la figure 3 montre l’apparence bleutée de traits sur un fond rose alors que ces traits sont en réalité gris !

Fig. 3. Une étoile grise (sur un fond blanc à gauche) apparaît légèrement bleutée sur un fond rose par l’effet du contraste simultané des couleurs.

Mieux comprendre la diffusion de la lumière par la peau

En 2018, des chercheurs canadiens se sont à nouveau penchés sur l’apparence bleutée des veines.5 Ils ont simulé les phénomènes d’absorption et de diffusion de la lumière par les divers éléments constitutifs de la peau, des tissus et des veines, en tenant compte de leurs propriétés optiques de façon rigoureuse. Ils ont ainsi montré que la diffusion Rayleigh par les fibrilles de collagène situées dans le derme joue vraisemblablement un rôle central dans l’atténuation de la composante bleue de la lumière blanche incidente lors de son passage à travers la peau. Ainsi, cette composante est renvoyée en grande partie par la peau avant d’atteindre le sang coulant dans une veine sous-cutanée.

Les chercheurs précisent en outre que les diverses apparences colorées des veines, grisâtres ou verdâtres, résulteraient d’une contribution variable de la diffusion Rayleigh selon les caractéristiques morphologiques du derme, en particulier selon l’épaisseur et le rayon des fibrilles de collagène. En revanche, les fibrilles de réticuline ne joueraient aucun rôle.

Ces conclusions sont à confirmer par des expériences in situ, ce que les auteurs de l’article envisagent d’entreprendre. Affaire à suivre, donc.

Et les artères ?

Il n’est pas possible de voir les artères à travers la peau car elles sont localisées trop profondément, et de plus, leurs parois sont plus épaisses que celles des veines. Pourquoi ? Le cœur propulse directement le sang dans les artères dont les parois sont soumises à une pression supérieure à celle des veines, et doivent donc être plus épaisses. D’autre part, les veines sont situées plus près de la surface de la peau, ce qui leur permet de jouer un rôle dans les échanges de chaleur avec l’extérieur (en contribuant à refroidir le corps). Les artères pourraient assurer cette fonction mais il est plus avantageux qu’elles soient situées plus profondément, à l’abri des blessures.

Quoi qu’il en soit, si les artères étaient visibles sous la peau, nous les verrions bleutées comme les veines, alors qu’elles seraient en réalité d’un gris tirant sur le rose.

Références et notes

1En raison de l’apparence bleutée des veines, on a longtemps cru que le sang veineux était bleu. Cette apparence est à l’origine de l’association du « sang bleu » à la noblesse au XVIIesiècle parce que les nobles ne s’exposaient pas au Soleil et avaient donc une peau très claire faisant apparaître les veines bleues. Au contraire, les pauvres qui devaient travailler au Soleil dans les champs avaient une peau bronzée qui masquait la couleur bleue des veines.

Par ailleurs, l’idée reçue selon laquelle le sang veineux est bleu n’est pas sans lien avec la représentation des veines en bleu et des artères en rouge sur les schémas du corps humain dans nombre d'ouvrages. Mais il ne s’agit que d’une convention !

2A. Kienle et al., « Why do veins appear blue ? A new look to an old question », Applied Optics, vol. 35, pp. 1151-1160 (1996). Article consultable ici.

3J.-M. Courty, É. Kierlik, « Du sang bleu dans les veines ? », Pour la Science, n° 395, sept. 2010, pp. 90-92.

4Une analyse plus fine effectuée par Jean-Pierre Merlet avec le logiciel Photoshop conduit aux valeurs suivantes des paramètres a et b qui sont les composantes chromatiques respectivement rouge et jaune dans le système Lab (décrit dans le billet du 31.03.2019) :

  • zones des veines : a = 3, b = 0 ;
  • zones de la peau : a = 13 à 22 selon les zones, b = 20 ou 21.

5S. R. Van Leeuwen, G. V. G. Baranovski, « Elucidating the contribution of Rayleigh scattering to the bluish appearance of veins », Journal of Biomedical Optics, vol. 23, 025001 (2018). Article consultable ici.

 

Liens vers les autres billets de cette série :

1. Le sang humain est-il toujours rouge ? Ici

3. Ces animaux dont la couleur du sang n’est pas rouge. Ici

4. Le sang incolore des poissons des glaces. Ici

Publier un commentaire