Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Dynamic full field optical coherence tomography“

Cette thèse a pour objectif l’étude d’un lien effectif potentiel entre la motilité cellulaire, la mécanique cellulaire, et l’activité biochimique de ces mêmes cellules. Ce couplage a été étudié dans divers systèmes biologiques, et aussi bien dans des cultures de cellules qu’à l’intérieur de tissus plus complexes. Notamment, nous avons particulièrement cherché à détecter un couplage électromécanique dans des neurones qui pourrait être impliqué dans la propagation du message nerveux.Pour ce faire, nous avons dû développer deux microscopes optiques à la sensibilité extrême. Ces microscopes se composent de deux parties principales. La première sert à détecter des mouvements axiaux plus petits que la longueur d’onde optique, soit en dessous de 100 nanomètres. La deuxième partie permet la détection d’un signal de fluorescence, offrant la possibilité de suivre l’évolution biochimique de la cellule. Avec ces deux microscopes multimodaux, il est donc possible de suivre de manière simultanée un contraste de motilité, un contraste mécanique, un contraste structurel et un contraste biochimique. Si l’un de ces systèmes est basé sur la tomographie de cohérence optique plein champ et permet de faire de telles mesures en 3-D et en profondeur dans les tissus biologiques, le second ne permet que des mesures dans des cultures de cellules, mais est bien plus robuste au bruit mécanique. Dans ce manuscrit, nous allons essentiellement décrire le développement de ces deux appareils, et préciser les contrastes auxquels ils sont sensibles spécifiquement.Nous développerons également deux des applications principales de ces microscopes que nous avons étudié dans le détail au cours de cette thèse. La première application développe l’intérêt d’un de nos microscopes pour la détection sans marquage des principaux composants cellulaires et structuraux de la cornée et de la rétine. La seconde application tend à détecter et à suivre des ondes électromécaniques dans des neurones de mammifères<br>This PhD project aims to explore the relationship that might exist between the dynamic motility and mechanical behavior of different biological systems and their biochemical activity. In particular,we were interested in detecting the electromechanical coupling that may happen in active neurons, and may assist in the propagation of the action potential. With this goal in mind, we have developed two highly sensitive optical microscopes that combine one modality that detects sub-wavelength axial displacements using optical phase imaging and another modality that uses a fluorescence path. Therefore, these multimodal microscopes can combine a motility, a mechanical,a structural and a biochemical contrast at the same time. One of this system is based ona multimodal combination of full-field optical coherence tomography (FF-OCT) and allows the observation of such contrast inside thick and scattering biological tissues. The other setup provides a higher displacement sensitivity, but is limited to measurements in cell cultures. In this manuscript, we mainly discuss the development of both systems and describe the various contrastst hey can reveal. Finally, we have largely used our systems to investigate diverse functions of the eye and to look for electromechanical waves in cell cultures. The thorough description of both biological applications is also provided in the manuscript

La tomographie de cohérence optique plein champ est une technique de microscopie permettant d’imager un plan d’intérêt en profondeur dans un milieu diffusant. Cette technique a été utilisée pour l’examen de pièces opératoires dans un but de diagnostic en cancérologie. L’utilisation de cette technique permettrait en effet de fournir un outil de diagnostic peropératoire rapide et fiable, évitant ainsi de nombreuses procédures de réopération. Ces réopérations peuvent survenir lorsque – lors du diagnostic final par analyse de coupes histologiques – le pathologiste décèle la présence de tissus cancéreux restant, non retirés au cours de l’opération.L’OCT plein champ a montré de bons résultats pour cette application. Néanmoins, cette technique ne fournit qu’un contraste morphologique des tissus, ne permettant pas d’utiliser des critères de qualification des pièces opératoires basées – par exemple – sur la morphologie ou la densité cellulaire.Nous avons développé une nouvelle modalité d’imagerie basée sur l’OCT plein champ permettant de révéler un contraste métabolique dans le tissu à une échelle subcellulaire. Ce contraste permet de révéler les cellules précédemment non distinguées en OCT plein champ. Nous avons également utilisé la mesure quantitative de cette modalité pour réaliser des outils d’aide au diagnostic utilisant des approches d’apprentissage par ordinateur<br>Full filed optical coherence tomography is a microscopy imaging technique allowing to image a specific slice in a scattering medium, in depth. This technique has been used for the diagnosis of biopsy in cancerology. This technique could be an efficient and fast way to diagnose excised tissues during surgery. This would avoid numerous reoperations procedures. These reoperations are necessary when a pathologist suspects cancerous tissue to still be present in the patient, based on histological slide examination.FFOCT has shown promising results for that purpose. Nevertheless, this technique only gives a morphological contrast of tissues, which is not enough for applying some diagnostic criteria such as cell morphology or cell density.We developed a new imaging modality based on FFOCT allowing to reveal metabolic contrast in tissues at the subcellular scale. This contrast reveals cells previously indistinguishable with FFOCT. We also used this quantitative metric to propose tools to facilitate diagnosis, using machine learning approaches

Mon projet de doctorat a été consacré à la conception et à l'application de techniques de microscopie optique non invasives, tridimensionnelles, sans marquage et en direct pour la modélisation des maladies rétiniennes à haute résolution. Aux frontières de la physique, de l'ingénierie et de la biologie, la principale question qui a motivé mon travail était de caractériser la santé de cellules dans des tissus complexes, avec une perturbation externe minimale. En particulier, j'ai contribué au développement d'une nouvelle modalité d'imagerie appelée tomographie par cohérence optique plein champ dynamique (DFFOCT), avec une attention particulière pour les échantillons rétiniens. Dans les deux premiers chapitres de mon manuscrit, je placerai cette modalité dans le contexte d'autres technologies alternatives et je décrirai le module que j'ai co-développé. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur la transformation des besoins des biologistes en matière d'observation, de contrôle et d'optimisation de leurs modèles expérimentaux en solutions optiques et techniques. Les expériences et l'analyse des données ont été principalement réalisées sur des échantillons de rétine, y compris des organoïdes sains et malades, et des explants animaux. Des études longitudinales et tridimensionnelles de modélisation de la maladie in vitro ont été réalisées, en particulier sur la dystrophie rétinienne et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA), pour lesquelles je présenterai des résultats préliminaires dans le chapitre 2. Bien que très puissant pour étudier la dynamique cellulaire dans les tissus complexes, le DFFOCT était initialement limité aux échantillons épais, ce qui empêchait son utilisation sur des cultures cellulaires en 2D. J'ai également contribué au développement d'une autre configuration optique qui permet d'imager des cellules à proximité de lamelles de verre. En utilisant un design auto-référencé, il est devenu possible d'imager des cultures cellulaires en 2D. J'ai contribué à la réalisation de la nouvelle installation et j'ai effectué une partie des expériences de preuve de concept sur des fibroblastes humains. De plus, cette modalité a été utilisée pour établir un nouveau pipeline de discrimination cellulaire en 2D, dont les premiers résultats sont présentés dans le troisième chapitre de ce manuscrit. Puisque le DFFOCT capture les mouvements intracellulaires pour quantifier l'activité cellulaire locale, nous nous sommes demandé si nous pouvions détecter des changements physiologiques par le biais d'un changement d'activité. En travaillant sur des échantillons de rétine, nous avons essayé de détecter la réponse DFFOCT à la photo-stimulation sur des organoïdes rétiniens naturels et génétiquement modifiés, ainsi que sur des explants rétiniens.Les résultats n'ont pas encore abouti à une conclusion claire, comme nous le verrons dans le chapitre 4. Cependant, le sujet est toujours étudié au sein du groupe, car d'autres membres de l'équipe tentent d'extraire des informations significatives des ensembles de données analysés. Comme dernière étape de mon projet de doctorat, j'ai construit un nouveau setup optique : un OCT à domaine spectral (SDOCT) à coupler au DFFOCT et au microscope, décrit dans le dernier chapitre de la thèse. Le but est d'ajouter une vue macroscopique perpendiculaire à basse résolution au système existant, afin d'avoir un balayage rapide de l'échantillon entier avant de passer à l'analyse à haute résolution avec le DFFOCT. Cela nous permettrait de cibler le domaine du dépistage à haut débit, étant donné que le balayage volumétrique DFFOCT, qui prend du temps, serait remplacé par une imagerie OCT hybride SD + FF. En outre, grâce à l'algorithme dynamique, il est possible de récupérer des informations métaboliques au niveau macroscopique, comme pour le FFOCT. Les applications futures du système impliquent l'automatisation du processus d'acquisition et, éventuellement, la détection de la réponse à la photo-stimulation<br>My PhD project was devoted to the conception and application of non-invasive, three-dimensional, label free, live optical microscopy techniques for retinal disease modelling at high resolution. At the frontiers between physics, engineering, and biology, the main question that motivated my work was how to characterize the health of single cells in complex tissues with minimal external perturbation. In particular, I contributed to the development of a new imaging modality named dynamic full field optical coherence tomography (DFFOCT) with a particular focus on retinal samples. This new modality enabled me to study the physiology of several state-of-the art biological models, including organoids, and advanced disease models. In the two first chapters of my manuscript, I will put this new modality in context of other alternative technologies, and describe a module that I co-developed.During my PhD, I worked on transforming the needs of biologists to observe, control and optimize their experimental models into optical and technical solutions. Experiments and data analysis were mainly performed on retinal samples, including healthy and diseased organoids, and animal explants. Longitudinal and three-dimensional disease modelling in vitro studies were performed, particularly on retinal dystrophy and age-related macular degeneration (AMD), on which I will present preliminary results in chapter 2. Although very powerful to study cell dynamics in complex tissues, DFFOCT was initially limited to thick specimens, which prevented its use on 2D cell cultures, preventing to make a direct link between 2D and 3D models. During my PhD, I also contributed to the development of another optical configuration that allows to image cells close to glass coverslips. By using a self-referenced design, 2D cell cultures attached to a coverslip have become possible to image. I contributed to the realization of the modified setup and carried out part of the proof-of-concept experiments on human fibroblasts. Moreover, this new modality was used to establish a new cell discrimination pipeline in 2D, with the first results shown in the third chapter of this manuscript. Since our imaging modality captures intracellular movements within cells to quantify their local activity, we asked the question whether we could detect physiological changes through a change in activity. Working on retinal samples, we tried to detect the DFFOCT response to photo-stimulation on natural and genetically modified retinal organoids, and retinal explants. The results did not lead to a clear conclusion during my PhD as will be covered in chapter 4. However, the topic is still deeply studied in the group, as other members of the team are trying to retrieve meaningful information from the analysed datasets. As the final step of my PhD project, I built a new additional part of the optical setup: a spectral domain OCT (SDOCT) to couple to the DFFOCT and to the microscope, consequently, described in the final chapter of the thesis. The aim of this association is to add a low-resolution macroscopic perpendicular view to the existing system, in order to have a quick scan of the whole sample before delving into high resolution analysis with the DFFOCT. This would allow us to target the high content screening domain, as the time consuming DFFOCT volumetric scanning would be replaced by a hybrid SD + FF OCT imaging. Moreover, with the implementation of a dynamic algorithm, it is possible to retrieve metabolic information at macroscopic level too, similarly to what is done with the FFOCT. Future applications of the aforementioned system involve automatization of the acquisition process and, possibly, detection of photo-stimulation response

Le cancer est une des principales cause de décès dans le monde et donc un problème majeur de santé publique. Plusieurs techniques d'imagerie biomédicale servent à la recherche et aux efforts cliniques pour améliorer le pronostic du patient. Nous étudions l'utilisation d'une nouvelle famille de techniques d'imagerie, la tomographie par cohérence optique plein champ statique et dynamique, qui permet une analyse du tissu plus rapide que la technique de référence en histopathologie. Afin de faciliter l'interprétation de cette nouvelle imagerie, nous développons plusieurs méthodes exploratoires basées sur des données issues d'études cliniques. Nous proposons une méthode analytique pour une meilleure caractérisation du signal interférométrique dynamique brut, ainsi que de multiples méthodes d'aide au diagnostic à partir des images. Pour cela, des réseaux neuronaux convolutifs ont été exploités sous différents paradigmes: (i) apprentissage entièrement supervisé, dont la capacité de prédiction dépasse la performance du pathologiste; (ii) apprentissage par instances multiples, qui permet de surmonter le manque d’annotations d’experts; (iii) apprentissage contrastif, qui exploite la multi-modalité des données. Nous portons une grande attention à la validation et au décryptage des modèles boîte noire pour garantir leur bonne généralisation et enfin trouver des biomarqueurs spécifiques<br>Cancer is a leading cause of death worldwide making it a major public health concern. Different biomedical imaging techniques accompany both research and clinical efforts towards improving patient outcome. In this work we explore the use of a new family of imaging techniques, static and dynamic full field optical coherence tomography, which allow for a faster tissue analysis than gold standard histology. In order to facilitate the interpretation of this new imaging, we develop several exploratory methods based on data curated from clinical studies. We propose an analytical method for a better characterization of the raw dynamic interferometric signal, as well as multiple diagnostic support methods for the images. Accordingly, convolutional neural networks were exploited under various paradigms: (i) fully supervised learning, whose prediction capability surpasses the pathologist performance; (ii) multiple instance learning, which accommodates the lack of expert annotations; (iii) contrastive learning, which exploits the multi-modality of the data. Moreover, we highly focus on method validation and decoding the trained "black box" models to ensure their good generalization and to ultimately find specific biomarkers

Optical coherence tomography (OCT) is a versatile and powerful imaging technique widely used in biomedical applications. It employs non-destructive radiation and performs non-contact micrometre-scale cross-sectional imaging of the sample structure. However, classic OCT systems generally apply a single-point detection scheme, which creates inefficiencies in terms of the experimental alignment of system, the point-by-point signal acquisition process and the measurement speed. One of its variants, full-field optical coherence tomography (FF-OCT) employs parallel illumination and directly acquires en-face images with a complementary camera, hence omitting the need of electromechanical lateral scans as in classic OCT systems. Current FF-OCT systems could offer more efficient measurement procedures as well as superior imaging performance, however, they are neither economically viable nor universally applicable to different applications. There is a need for a simplified low cost system to make such a powerful technology readily available for a wide range of applications. In this thesis, the development of a low cost simple FF-OCT system is described from its system setup, experimental procedures, data analysis, and system performance. The system consists of only essential components including probing lens and a beam-splitter, together with a low cost infrared LED source and CMOS camera. During the measurement, the system only requires to control the axial movement of the sample arm and the image acquisition by the camera. For the imaging of a sample with a depth of 100 um, the FF-OCT measurement only takes less than two minutes. The time-efficient measurement with the simple system offers great advantage over the developed phase-shifting FF-OCT system, which requires lengthy measurement and excessive operations, despite the decoupling of signal strength and instantaneous phase with penetration depth. Therefore, compared to state-of-the-art systems, it has the advantage of being low-cost, fast image acquisition speed and simple experimental operations. For the data analysis of tomographic imaging, the axial position of a structural feature is determined by that of the envelope, which is obtained by processing raw FF-OCT signal with Hilbert transform. The imaging performance of the simple system is measured to have a spatial resolution of 3.6 x 10.3 um2 (axial x lateral) and a system sensitivity of 74 dB. The characterisation of small-size pharmaceutical pellet coatings, bovine corneal layers and paint films is to demonstrate the potential of the simple FF-OCT system for the tomographic imaging. The layered structures and internal morphology features can be revealed by analysing the measured FF-OCT B-scan images and A-scan signals. First of all, the simple FF-OCT system is capable of performing accurate and quick measurements of pellet coatings, which are validated by the XuCT technique. FF-OCT imaging can provide a spatial characterisation of coating layers, an accurate determination of coating thickness, and an estimation of coating uniformity and porosity, making the simple system a powerful tool for the coating evaluation of similar pharmaceutical pellets. Secondly, the simple system can detect corneal surfaces and the two anterior layers of bovine cornea. This could permit the prediction of the corneal oedematous state and epithelial erosions by the analysis of the FF-OCT results of the corneal structure. Thirdly, the simple system is capable of revealing the surface and subsurface of basecoat and clearcoat films. The measurement of their paint thicknesses is also verified by the reference profilometry results. FF-OCT imaging can provide further spatial evaluation of a paint film and the areal thickness map could be obtained. The study of these paint samples with the simple system might provide an indication for the FF-OCT measurement of industrial automotive paint. For the data analysis of the surface topography, the axial position of the surface is obtained by applying interpolation and a minimum search algorithm to the raw FF-OCT signal. This allows sub-micrometre depth precision to be obtained with the simple system. In the validation of the measurement of the surface topography, a less than 10 nm deviation of the FF-OCT measurement is found compared to the AFM measurement of a nanostructured step-like surface. The capability of the simple system for the surface topography is further illustrated by the determination of the electrode thickness of semiconductor microelectronics. By analysing the phase change upon reflections and the optical path lengths during the measurement, the step-like structure and the sandwich configuration can be revealed from the measured FF-OCT surface maps. The usefulness of the simple system is presented in the surface topography of PMMA models. It is demonstrated that the areal refractive power can be obtained by analysing the 2-D curvature of the FF-OCT measured surface map, which is useful in the identification of surface irregularity.

Optical coherence tomography (OCT) serves as a non-destructive and non-invasive technique that is capable of imaging the inner structure of optical scattering samples with a high spatial resolution and deep penetration depth. Full-field time-domain OCT (FF-TD-OCT) is an extension of time-domain OCT (TD-OCT) which uses a two-dimensional (2D) detector to capture a series of en-face images to reconstruct the inner structure of samples in three-dimension (3D). In pharmaceutical industry, the pellet or tablet coating performs an important role in the release of active pharmaceutical ingredients (API) and controlling the desired API absorption rate in human body. Therefore, the accurate evaluation of coating thickness is vital to the pharmaceutical coating process. Our FF-TD-OCT system was developed in this research to image the pharmaceutical coating of small size pellets with a high axial resolution of 3.9μm and lateral resolution of 4.4μm. We characterized two pellet samples: a two-layer pellet with one clear coating layer and one drug-loaded layer, and a three-layer pellet with one clear coating layer and two drug-load layers. The mean thickness of a two-layer pellet was precisely determined automatically as 39.7±7.3μm and 49.1±7.0μm for the outer and inner layers respectively. The mean thickness of a three-layer pellet were 26.5±2.3μm, 20.6±3.4μm and 57.3±7.2μm respectively. In addition, the particles in the drug-loaded layer can be clearly resolved form the cross-section image. The precise and power information of the human corneal surface is of significant benefit in corneal corrective surgeries. Our developed FF-TD-OCT was combined with an average back-vertex focal length and average powercalculation algorithm in order to measure and calculate the individual power of the corneal surface. Meanwhile, the angle of incident light was considered as an important parameter and the errors introduced by the paraxial approximation was reduced. We managed to measure six formalin-fixed and two fresh corneas and map the surface power information of them. In addition, the cross-section image of cornea generated from our FF-TD-OCT system showed its structure including epithelium, Bowman’s layer and stroma clearly and the features of the stroma. For automotive paint system, the metallic flakes in base coat has a significant effect on the appearance of automotive bodies. Precise evaluation of the properties of these flakes is important in the automotive painting system in the purpose for quality assurance. Our FF-TD-OCT system was combined with a 3D variational segmentation method to measure and segment the individual flakes within the base coat of automotive paint system in 3D for the first time. The properties of flakes, including number, size and orientation in 3D space, were precisely calculated, which cannot be achieved by current commercial methods.

La rétine, en tant que fenêtre sur le cerveau, est directement connectée au système nerveux central. L'imagerie rétinienne in vivo est prometteuse pour fournir des signes de maladies neurodégénératives à un stade précoce avec une imagerie cellulaire de haute résolution. Cependant, la présence de mouvements oculaires en 3D et d'aberrations oculaires dégrade le rapport signal/bruit et la résolution de l'image. La technique de tomographie par cohérence optique plein champ dans le domaine temporel (TDFFOCT) a démontré une résolution 3D élevée et une faible complexité du système pour l'imagerie rétinienne. Un avantage de la TDFFOCT est que la résolution latérale est presque deux fois supérieure à celle des systèmes d'imagerie standard. Néanmoins, la TDFFOCT présente une sensibilité relativement faible, qui peut être notablement compromise par les aberrations oculaires et les mouvements axiaux de la rétine. En particulier, ma thèse se concentre sur la conception et la mise en œuvre de systèmes avancés de TDFFOCT avec une sensibilité de détection améliorée pour l'imagerie rétinienne in vivo. Mon manuscrit de thèse est divisé en trois parties principales. Partie 1 est une partie introductive comprenant trois chapitres. Le Chapitre 1 est consacré à la présentation de l'œil humain d'un point de vue biologique et médical et introduit les principales perturbations oculaires. Le Chapitre 2 présente l’étendue des systèmes d'imagerie clinique et de recherche pour l'imagerie de la rétine in vivo, où l'optique adaptative (AO) a été largement utilisée. Enfin, le Chapitre 3 débute par la présentation de la technique OCT, en mettant l'accent sur la TDFFOCT. La TDFFOCT surpasse les autres systèmes d'imagerie rétinienne avancés grâce à sa haute résolution 3D, un grand FOV et une conception de système compacte, permettant des applications cliniques. Cependant, la faible sensibilité du système TDFFOCT le rend difficile pour l'imagerie rétinienne interne. La Partie 2 expose la caractérisation des performances du système TDFFOCT pour l'imagerie rétinienne in vivo. Dans le Chapitre 4, je présente ma mise en œuvre d'une TDFFOCT clinique à l'Hôpital National d'Ophtalmologie Quinze-Vingts à Paris. Cependant, il reste difficile d'imager une grande population ou les couches rétiniennes internes, principalement en raison des mouvements oculaires et des aberrations oculaires qui dégradent la sensibilité. Après cela, le Chapitre 5 se concentre sur la caractérisation du mouvement axial de la rétine pour faciliter une meilleure conception d'un système de suivi rétinien. En ce qui concerne l'impact des aberrations oculaires, le Chapitre 6, propose une méthode pour étudier les performances de la TDFFOCT en présence de diverses aberrations oculaires. Ayant examiné deux paramètres principaux (mouvement oculaire et aberrations oculaires) qui dégradent la sensibilité de détection dans la TDFFOCT, des solutions pour relever ces deux défis sont également proposées, concernant 1) la fréquence de boucle requise pour un suivi axial précis de la rétine, 2) le gain du rapport signal/bruit et de la résolution par correction des aberrations pour différentes populations. Enfin, je présente la mise en œuvre de ces solutions dans le système TDFFOCT pour améliorer la sensibilité. La Partie 3 présente la conception et la mise en œuvre du système TDFFOCT avancé avec une sensibilité améliorée. Dans cette partie, j'ai mis en œuvre trois nouvelles fonctionnalités principales : • Chapitre 7 présent la conception d'une approche AO sans capteur de front d'onde pour l'imagerie rétinienne in vivo en milieu clinique. • Pour explorer la plus grande sensibilité de la TDFFOCT, j'ai conçu et mis en œuvre un TDFFOCT AO avec un capteur de front d'onde dans le Chapitre 8. • Le Chapitre 9 démontre comment améliorer les performances de suivi axial concernant les mouvements de la rétine<br>Retina serves as a window to the brain, and in-vivo retinal imaging is promising to give signs of neurodegenerative disease at the early stage with high-resolution cellular imaging. However, the presence of 3D eye motion and ocular aberrations degrades the image signal-to-noise ratio (SNR) and resolution. The technique of time-domain full-field optical coherence tomography (TDFFOCT), developed by Claude Boccara’s team has demonstrated exhilarating performances for retinal imaging with 3D high resolution and low system complexity. One key advantage of TDFFOCT is that the lateral resolution is nearly twice of the standard imaging system, and it is more robust to the low-order symmetric aberrations, such as defocus and astigmatisms, which account for approximately 92% of wavefront error in ocular aberrations. However, TDFFOCT exhibits relatively low sensitivity, which can be notably compromised by ocular aberrations and axial retinal motions. In particular, my PhD focuses on the design and implementation of advanced TDFFOCT systems with enhanced detection sensitivity for in-vivo retinal imaging, especially the visualizations of inner retina features with low reflectivity. My thesis manuscript is divided into three main parts. Part 1 is an introductory part comprising three chapters. Chapter 1 is dedicated to presenting the human eye from a biological and medical perspective. This highlights the imaging requirements for achieving high-resolution in-vivo retinal imaging. Chapter 2 presents the zoology of clinical and research imaging systems to image retina in vivo, where adaptive optics (AO) have been widely applied. This chapter also highlights the limitations in current AO imaging systems, mainly due to a limited field of view (FOV) and complex system design, hindering its applications in clinics. Finally, Chapter 3 starts with the OCT technique, with a focus on time-domain FFOCT. TDFFOCT outperforms other advanced retinal imaging systems, with high 3D resolution and large FOV and a compact system design, enabling clinical applications. But the low sensitivity of TDFFOCT system makes it challenging for inner retinal imaging. Part 2 is based on the characterization of the performances of the TDFFOCT system for in-vivo retinal imaging. In Chapter 4, I show my implementation of a clinical TDFFOCT which I have optimized and installed at the Quinze-Vingts National Ophthalmology Hospital, following by in-vivo retinal imaging for patients. But it’s still challenging to image a large population or inner retinal layers mainly due to eye motion and ocular aberrations degrading the sensitivity. Following this, Chapter 5 focuses on the characterization of retinal axial motion to facilitate a better design of retinal tracking system. Regarding the impact of ocular aberrations, a novel method is proposed in Chapter 6 to investigate the performances of TDFFOCT under various ocular aberrations. Having investigated two main parameters (eye motion and ocular aberrations) that degrade the detection sensitivity in TDFFOCT, the solutions to address these two challenges are also proposed regarding the loop rate required for a precise axial retinal tracking and the gain of the SNR and resolution by aberration correction for different population. Next, I will implement these solutions into TDFFOCT system to enhance the sensitivity. Following this, Part 3 shows the design and implementation of the advanced TDFFOCT system with enhanced sensitivity. In this part, I have implemented three main new features: • Chapter 7 focuses on the design of an efficient SAO approach for in-vivo retinal imaging in clinics. • To explore the highest sensitivity in TDFFOCT, I have designed and implemented a sensor-based AO TDFFOCT in Chapter 8. • Chapter 9 demonstrates how to improve the axial retinal tracking performance to facilitate more efficient frame accumulations for image averaging to improve image signal-to-noise ratio

Ce manuscrit de thèse de doctorat présente la conception et la réalisation d’un système d’imageriepour le diagnostic précoce des pathologies de la peau. Un diagnostic précoce permet de réduire lesactes chirurgicaux inutiles. Il est important de mettre en avant que seulement 20% des pathologiesfaisant office d’une opération chirurgicale, sont malignes. De plus, les pronostics de l’année 2015avançaient trois millions de nouveaux cas de cancer de la peau diagnostiqués aux ´ Etats-Unis. Basésur la tomographie par cohérence optique à balayage en longueur d’onde et une configuration pleinchamp et multi-canaux, le système d’imagerie médicale est capable d’imager en volume les couchesinternes de la peau et donc de fournir un diagnostic médical pour le professionnel de santé. Pourune fabrication en série du système portatif, les composants optiques sont micro-fabriqués sur dessubstrats et assemblés verticalement. Ces micro-composants optiques requièrent une caractérisationspécifique. Pour cela, deux systèmes ont ainsi été développés pour estimer leurs performancesoptiques. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Européen VIAMOS (Vertically IntegratedArray-type Mirau-based OCT System)<br>The manuscript concerns the optical design and the development of a non-invasive new imagingsystem for the early diagnosis of skin pathologies. Indeed, an early diagnosis can make the differencebetween malignant and benign skin lesion in order to minimize unnecessary surgical procedure.Furthermore, prognosis for the year 2015 was that more than three millions new skin cancer caseswill be diagnosed in the United States. Based on the swept source optical coherence tomographytechnique in full-field and multiple channels configuration, the imaging system is able to perform avolumetric image of the subsurface of the skin, and thus can help in taking a better medical decision.Furthermore, for a batch-fabrication of the hand-held device, micro-optical components were made atwafer-level and vertically assembled using multi-wafer bonding. This miniaturized system requiresspecific characterization. Thus, two systems were also developed for imaging quality evaluation ofmicro-optical elements. This work has been supported by the VIAMOS (Vertically Integrated ArraytypeMirau-based OCT System) European project

Cette thèse décrit le design, la simulation et la fabrication d’une matrice 4x4 de micro-miroirs actionnée verticalement et munie d’un capteur de position. Le micro-scanneur vertical a pour vocation à être intégré au sein d’un micro-interféromètre de Mirau de type matriciel, réalisé àbase de composants micro-optiques fabriqués grâce à des méthodes collectives. Le mouvement du micro-scanneur, développé dans cette thèse, génère un signal de référence utilisé pour l’implémentation de l’interférométrie à modulation de phase dans un système de tomographie par cohérence optique (OCT). Dans un premier temps, la thèse introduit le besoin d’un système d’imagerie adapté pour la détection précoce des cancers de la peau et établit les spécifications optiques requises par cette application. A partir de ces spécifications, le design du système OCT basé sur le micro-interféromètre de Mirau est présenté. En parallèle, l’état de l’art des technologies de micro-actionnement est décrit et un actionnement électrostatique à base de peignes interdigités est choisi pour actionner et lire la position de la matrice de micro-miroirs. En effet ce type d’actionnement bénéficie d’une bonne compatibilité avec le design du micro-interféromètre de Mirau. Dans un second temps, le cœur de la thèse expose le développement du micro-scanneur vertical, c.à.d le design et les simulations ainsi que la fabrication et la caractérisation<br>This thesis describes the design, simulation and fabrication of a vertically actuated 4x4 array ofmicromirrors with embedded position sensing function. The vertical microscanner is meant to beintegrated within an array-type Mirau microinterferometer realized with optical microcomponentsfabricated using collective techniques. The microscanner, developed in this thesis, provides areference signal that is used for the implementation of phase modulation interferometery in an opticalcoherence tomography (OCT) system. This thesis first introduces the need for adapted imagingsystems for the early diagnosis of skin cancer and establishes the optical specifications requiredby this specific application. Based on these specifications, the design of the OCT system based onthe Mirau microinterferometer is presented. In parallel, the state of the art of the microactuationtechnologies is discussed and comb drive electrostatic actuation is chosen, for its compatibilitywith the design of the Mirau microinterferometer, to actuate and sense the position of the array ofmicromirrors. Then, the core of the thesis deals with the development of the vertical microscanner,i.e. its design and simulations, its fabrication and its characterization