Dissertationen zum Thema „Tomographie à cohérence optique plein champ dynamique“

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
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
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

La tomographie par cohérence optique (ou OCT pour Optical Coherence Tomography) est une technique d'imagerie des milieux biologiques basée sur l'interférométrie en lumière faiblement cohérente. Depuis son invention il y a 20 ans, l'OCT a connu un développement spectaculaire et suscite aujourd'hui encore une activité de recherche particulièrement dynamique et compétitive. L'OCT plein champ est une technique particulière d'OCT, dans laquelle des coupes transverses de l'échantillon biologique sont obtenues sans aucun balayage, permettant ainsi de révéler de manière non invasive la structure interne 3D de l'échantillon avec une résolution spatiale micrométrique. Réputée dans la communauté scientifique internationale, l'OCT plein champ est toutefois mal adaptée à l'imagerie des milieux fortement diffusants pour lesquels la profondeur de pénétration demeure relativement faible et à l'imagerie in vivo en raison de sa faible vitesse d'acquisition. L'OCT possède de plus un contraste structurel faible, basé sur les inhomogénéités d'indice de réfraction du milieu, qui rende parfois complexe voire impossible les diagnostics précoces. Ce manuscrit présente les différentes améliorations qui ont été apportées au dispositif d'OCT plein champ pour dépasser ces limites ainsi que les performances et les images obtenues.

La tomographie par cohérence optique plein champ (OCT plein champ) est une technique de microscopie interférométrique basée sur l’utilisation d’une source de lumière faiblement cohérente, telle qu’une lampe halogène. Elle permet de réaliser, de façon non invasive, des images tomographiques à plusieurs centaines de micromètres de profondeur dans les tissus biologiques et avec une résolution spatiale isotrope de l’ordre de 1 µm. Ces travaux de thèse concernent le développement de plusieurs systèmes d'OCT plein champ, dans le but de proposer de nouvelles performances et de nouveaux contrastes destinés à l’imagerie en trois dimensions de tissus biologiques. Nous avons dans un premier temps exploité la large bande spectrale d’émission d’une lampe halogène, afin d’apporter une information spectroscopique et d’être capable de distinguer et de caractériser des zones d’un échantillon qui seraient sinon indiscernables. Puis nous avons optimisé la résolution spatiale d’un montage d’OCT plein champ pour atteindre une valeur record de 0,5 µm (dans l’eau) dans les trois directions de l’espace, notamment grâce à l’utilisation d’une bande spectrale adaptée à l’imagerie de tissus, tels que la peau. Un montage dont le champ de vision est élargi à 18 mm x 18 mm a ensuite été développé et appliqué à l’imagerie du signal d’amplitude ainsi qu’à la mesure quantitative du signal de phase résolu en profondeur. Enfin un système utilisant un laser à balayage spectral comme source de lumière combiné à un traitement numérique de correction de la focalisation a été mis en œuvre. Nous avons ainsi démontré la possibilité de réaliser des images en trois dimensions avec une résolution latérale relativement élevée, sans utiliser le moindre déplacement mécanique durant l’acquisition
Full-field optical coherence tomography (FF-OCT) is an optical technology based on low-coherence interference microscopy for tomographic imaging of semitransparent samples. Non-invasive three-dimensional imaging can be performed with an isotropic spatial resolution of the order of 1 µm. During the PhD thesis, several FF-OCT systems have been reported achieving extended performances or contrast enhanced images relevant for biological tissues imaging. Firstly, a three-band, 1.9-μm axial resolution FF-OCT system has been implemented to perform spectroscopic contrast enhanced imaging of biological tissues over a 530-1700 nm wavelength range. Then, a study of the FF-OCT axial response has been carried out for maximizing the axial resolution of the system. An isotropic spatial resolution of 0.5 µm (in water) has been obtained by combining 1.2-NA microscope objectives with an optimized broad spectral band adapted to biological tissues imaging, such as skin samples. A set-up with an extended field of view of 18 mm x 18 mm has been also designed and applied to amplitude signal detection as well as depth-resolved quantitative phase signal measurement. At last, we developed a technique based on the combination of full-field swept-source optical coherence tomography (FF-SSOCT) with low spatial coherence illumination and a special numerical processing that allows for numerically focused mechanical motion-free three-dimensional imaging

La structure interne du papier détermine la majorité des propriétés de ce matériau. Sa connaissance est donc très utile pour les papetiers. Cependant, il n'existe pas de méthode simple et rapide pour obtenir cette structure. Lors de la thèse, un montage de tomographie par cohérence optique (OCT) plein champ avec une source thermique a été développé afin d'appliquer à l'étude du papier cette technique non destructive issue de la biologie. La résolution spatiale est de l'ordre du micron dans les trois dimensions. Des images de la structure de feuilles de papier ont été obtenues. Les résultats et la profondeur d'imagerie dépendent fortement du type de papier et de ses propriétés optiques. La limite fondamentale de cette méthode est la forte diffusion multiple dans ce matériau. L'OCT présente cependant de nombreuses applications potentielles en papeterie et les essais expérimentaux montrent que des améliorations pourront être apportées afin d'augmenter la profondeur d'imagerie.

La connaissance des matériaux de l'art participe à la conservation et à la restauration des oeuvres du patrimoine. A cette fin la tomographie par cohérence optique (OCT), technique d'imagerie interférentielle développée initialement pour l'étude des tissus biologiques, a été détournée ici de son application première pour l'étude des pigments des couches picturales en utilisant l'extension récente de l'OCT à la spectroscopie par transformée de Fourier résolue spatialement. Nous disposons d'un dispositif OCT plein champ fonctionnant dans le domaine temporel, utilisant un objectif de Mirau et une source émettant dans le domaine du visible. Le système introduit des effets d'ouverture conduisant à décaler les spectres vers les grandes longueurs d'onde. Après avoir défini un protocole nous permettant de corriger ces effets, nous avons validé avec succès la mesure de réflectivité d'échantillons d'or plans. Les particules de pigments sont des particules diffusantes et absorbantes de forme et de taille aléatoires de l'ordre du micromètre. A partir du cas sphérique nous avons établi théoriquement et expérimentalement que la mesure spectrale par OCT dépend des caractéristiques morphologiques de chaque particule analysée. La dispersion des mesures au sein d'un échantillon rend alors impossible la distinction de deux particules de matériaux différents. Cependant, le calcul de la moyenne sur un grand nombre de particules de même type permet de discriminer deux couches juxtaposées ou superposées, ce qui a été vérifié expérimentalement sur pigments jaunes et rouges. En couplant l'analyse spectroscopique à l'imagerie, on améliore ainsi la caractérisation d'un échantillon

La tomographie optique cohérente (OCT) est maintenant une technique établie permettant de visualiser la morphologie interne de l'œil. L'objectif est maintenant d'atteindre des résultats similaires dans des tissus fortement diffusants. Une limite des études précédentes en OCT s'avère être sa faible résolution en comparaison des techniques d'histologie traditionnelle. La tomographie optique cohérente plein-champ (FFOCT), une variante de l'OCT également basée sur l'interférométrie en lumière faiblement cohérente, produit des images à l'échelle du micron sur un large champ de vue au moyen d'une simple camera et d'une lampe halogène. Dans ces travaux, un système FFOCT a été testé en conditions cliniques afin d'examiner de larges lésions mammaires, jusqu'à 1 cm², ainsi que des biopsies. Un ensemble de critères diagnostiques ont pu être identifiés pour différencier tissus bénins de malins, avec de premiers résultats encourageants; toutefois une amélioration du contraste endogène s'avère nécessaire. Une méthodologie exploitant les différences d'atténuation s'est montré limitée par une forte hétérogénéité des tissus sur une profondeur de quelques microns. En outre, la profondeur de pénétration de la technique a été améliorée au moyen d'un système opérant dans l'infrarouge et d'une huile de silicone en tant que liquide d'immersion. Finalement, l'imagerie tridimensionnelle in-vivo a pu être démontrée pendant les 4 jours de la métamorphose d'une Drosophile melanogaster. Le dispositif a pu suivre la croissance de chaque organe sur près de 80 µm avec une résolution isotrope à l'échelle du micron ouvrant ainsi des perspectives d'applications en biologie du développement.

L'imagerie optique biomédicale est confrontée aux phénomènes d'absorption et de diffusion de la lumière par les tissus qui atténuent et brouillent le signal au cours de sa propagation. La Tomographie de Cohérence Optique (OCT) filtre les photons balistiques par interférométrie en lumière temporellement incohérente. En particulier, l'approche Plein Champ atteint une résolution de 1 µm, mais sa profondeur de pénétration ne dépasse pas 1 mm. Il est donc impossible d'imager les organes internes in vivo et in situ : il faut pour cela disposer d'un instrument doté d'un endoscope, ce qui n'avait pas été réalisé à ce jour. Nous proposons un système d'OCT Plein Champ avec endoscope flexible qui repose sur le couplage de deux interféromètres, l'un extérieur à la sonde et l'autre situé à l'extrémité de la sonde en contact avec le tissu. Ainsi la sonde est entièrement passive et le signal interférométrique qui la traverse n'est pas perturbé par l'environnement. Sa flexibilité lui permettrait d'imager des organes internes comme le colon. Cependant l'utilisation d'un faisceau de plusieurs milliers de fibres optiques fait apparaître un signal d'interférence parasite dû aux phénomènes de couplage inter-coeurs et inter-modes. Des solutions sont proposées pour s'en affranchir et permettre l'imagerie d'échantillons de tissus. En imagerie par endoscopie rigide deux systèmes sont comparés, avec un ou deux interféromètres, et une sonde composée de lentilles à gradient d'indice. Cette sonde peut imager directement au contact des zones comme la peau, ou en pénétrant l'organe à la manière d'une aiguille, par exemple dans le sein. Elle est assez performante pour être utilisée in vivo sur la peau.

Cette thèse traite de l’étude et du développement d’un système d’optique adaptative pour la tomographie par cohérence optique plein champ (AO-FFOCT en anglais) appliquée à l’imagerie haute résolution de la rétine. L’analyse de l’effet des aberrations géométriques sur les performances en FFOCT a montré que pour une illumination spatialement incohérente, la résolution transverse est insensible aux aberrations et ne fait que diminuer le niveau du signal. Comme ce sont des aberrations de bas ordres comme la myopie et l’astigmatisme qui prédominent pour l’œil humain, une méthode d’optique adaptative avec une configuration sans conjugaison qui utilise une correction de front d’onde en transmission est suggérée, puis appliquée à la correction de ces ordres afin de simplifier le système d’AO-FFOCT. Des corrections de front d’onde sont effectuées sans analyseur de surface d’onde, en utilisant le niveau du signal de FFOCT comme métrique. Des expériences avec des échantillons diffusants et un œil artificiel sont menées pour démontrer la faisabilité d’un système d’AO-FFOCT conçu pour la correction d’aberration. Afin de résoudre les problèmes posés par les mouvements oculaires et de compenser en temps réel la différence de chemin optique entre les deux bras de l’interféromètre, l’instrument de FFOCT est couplé à un système d’OCT spectral. Avec cette combinaison de systèmes, l’imagerie FFOCT in vivo cellulaire de la rétine à haute résolution a été réalisée pour la première fois sur l’œil humain
This thesis follows the study and development of an adaptive optics full-field optical coherence tomography (AO-FFOCT) system, aiming for high resolution en face human retinal imaging. During the quantification of the effects of geometrical aberrations on the FFOCT system performance, it is shown that, with spatially incoherent illumination, the lateral resolution of FFOCT is insensitive to aberrations, which only cause the FFOCT signal reduction. Since low order aberrations like myopia and astigmatism dominate in human eye, a non-conjugate AO configuration by using transmissive wavefront corrector is suggested and applied for low order aberrations correction to simplify the AO-FFOCT system. Wavefront corrections are done with a wavefront sensorless method by using FFOCT signal level as the metric. Experiments with scattering samples and artificial eye model are conducted to demonstrate the feasibility of the customized AO-FFOCT system for aberration correction. In order to resolve the eye motion effects and employ real-time matching of the optical path lengths of the two interferometric arms in FFOCT, a system combination of traditional spectral-domain OCT (SDOCT) with FFOCT is adopted. With this combined system, high resolution FFOCT cellular retinal imaging is achieved in human eye in vivo for the first time

L’OCT plein champ est une technique d’imagerie permettant de faire de la microscopie des milieux diffusants à une profondeur donné à l’aide d’un système interférométrique. L’un des principaux objectifs qui ont motivé le développement de l’OCT plein champ ces dernières années a été de pouvoir fournir au chirurgien, durant les opérations des images similaires aux coupes histologiques mais en temps réel. Actuellement, les diagnostiques effectué à partir des images d’OCT plein champs donne de bon résultats, notamment dans le cas de certaine pathologie mammaire. Cependant, la différence majeure entre les coupes histologiques et les images d’OCT plein champs est qu’en OCT plein champ le contraste est uniquement un contraste morphologique et que dans certain cas, ce contraste seul ne suffit pas pour faire le diagnostic. Au cours des travaux de recherche décrits dans cette thèse nous nous sommes attachés à développer de nouvelles approches tomographiques, conduisant à de nouvelles formes de contraste susceptible d’enrichir les images d’OCT plein champ pour une meilleure qualité du diagnostic. Plus précisément, nous avons travaillé sur la détection optique et photo-thermique de nanoparticules d’or par OCT plein champ et la cartographie des propriétés mécaniques par trois méthodes dans le but de développer de nouveaux types de contrastes qui pourront permettre d’améliorer le diagnostic
Full Field OCT (FF-OCT) is an imaging technic use to do microscopy inside scattering media at a given depth using an interferometric setup. One of the main objectives that motivated the development of FF-OCT was to provide during surgery to the surgeon images similar to histological slices but in real time. Currently, diagnostic made from FF-OCT images gives good results, especially in the case of some breast disease. However, the major difference between the histological and FF-OCT is that FF-OCT has only a morphological contrast and in some cases, this contrast is not enough to make the diagnosis. In the research described in this thesis we are committed to developing new tomographic approaches, leading to new forms of contrast may enhance images of FF- OCT for a better quality of diagnosis. Specifically, we worked on the optical and photothermal detection of gold nanoparticles by FF-OCT and the mechanical properties mapping by three methods in order to develop new types of contrasts that will help improve the diagnosis

La perte de transparence cornéenne est une cause majeure de cécité au plan mondial. À elle seule, la cécité cornéenne affecte plus de 10 millions de personnes. Un diagnostic précoce et un suivi quantitatif pourrait améliorer le rendement clinique et ainsi combattre la cécité. Il y a donc un besoin critique pour des outils cliniques fiables et faciles à utiliser pour la caractérisation objective et quantitative de la transparence cornéenne.En collaboration avec Rémi Carminati (Institut Langevin, ESPCI, CNRS), nous avons développé un modèle de diffusion de la lumière dans la cornée qui comprend peu de paramètres et rend compte des différents phénomènes de diffusion au sein de la cornée. Nous avons également analysé la nanostructuration des fibrilles de collagène (principaux constituants du stroma cornéen, dont l'organisation est nécessaire à la transparence) à partir d'images de microscopie électronique en transmission, en modélisant le potentiel d'interaction entre les fibrilles avec un modèle simple à un seul paramètre.En complément de cette analyse théorique nous avons étudié expérimentalement la lumière diffusée en transmission par un système de microscopie holographique numérique (DHM) et en réflexion à l'aide d'un système de tomographie en cohérence optique plein champ (FF-OCT). La géométrie en transmission nous permet d’observer directement les effets de la diffusion sur la rétine et donc sur l’acuité visuelle des patients. La géométrie en réflexion est celle utilisée en clinique et donc celle à partir de laquelle on doit déterminer les propriétés de diffusion de la cornée. Pour l'analyse du signal OCT, nous avons mis au point, en collaboration avec Pascal Pernot (Université Paris Sud, CNRS), une analyse bayésienne qui permet d'extraire le libre parcours moyen de diffusion et ses éventuelles fluctuations en profondeur. Nous avons d'abord utilisé cette analyse sur des images d’OCT plein champ obtenues ex vivo à partir de cornées saines provenant de la banque des tissus, et des cornées pathologiques prélevées après une opération de greffe de cornée. Nous avons ainsi montré que cette analyse permet de mesurer le libre parcours moyen de diffusion avec une grande précision et également de déterminer si une cornée présente des hétérogénéités. Enfin nous avons montré la faisabilité de cette analyse in vivo en l'appliquant à des images d'OCT clinique et de lampe à fente, et nous avons obtenu une très bonne reproductibilité de nos mesures ainsi qu'une corrélation entre les mesures effectuées par les deux méthodes d'imagerie
Lack of corneal transparency is a major cause of blindness worldwide, affecting over 10 million people. Early diagnosis and quantitative follow-up could improve clinical outcome and hence prevent blindness. There is thus a critical need for reliable and easy-to-use clinical tools for objective and quantitative characterisation, including monitoring ability, of corneal transparency.In collaboration with Rémi Carminati (Institut Langevin, ESPCI, CNRS), we have developped a physical model of light scattering in the cornea, including as few parameters as possible, able to describe scattering properties of the cornea. We have also analysed the nanostructure of the collagen fibrills (main components of the corneal stroma, whose organisation is mandatory for transparency) from transmission electron microscopy images, modeling the interaction potential between fibrils with only one parameter.In addition to this theoretical analysis we have studied scattered light in transmission using digital holographic microscopy (DHM) and in reflection using full filed optical coherent tomography (FF-OCT). Transmission geometry enables us to observe the effects of light scattering on the retina and therefore to the visual acuity. Reflection geometry is the one used in clinical practice and therefore the one from which the scattering properties of the cornea have to be determined. For the analysis of the OCT signal, we have developed, in collaboration with Pascal Pernot (University of Paris Sud, CNRS), a Bayesian analysis that allows us to extract the scattering mean free path and its possible fluctuations in depth. We first used this analysis on ex vivo FF-OCT images of healthy corneas from the eye-bank, and pathological corneas collected after corneal transplant surgery. We have thus shown that this analysis makes it possible to measure the scattering mean free path with great precision and also to determine if a cornea presents heterogeneities. Finally, we have demonstrated the feasibility of this in vivo analysis by applying it to clinical OCT and slit lamp images, and we have obtained very good reproducibility of our measurements as well as a correlation between the measurements made by the two imaging methods

Parmi les diverses méthodes d’imagerie médicales, les méthodes d’imagerie optique connaissent depuis une vingtaine d’années un développement significatif. Parmi les techniques d’imagerie optique récemment mises en œuvre, la Tomographie Optique Cohérente Plein Champ – ou OCT Plein Champ – présente des caractéristiques remarquables, en particulier en termes de résolution et de simplicité instrumentale, permettant d’envisager son application au domaine du diagnostic du cancer. Cette thèse décrit la conception et la mise en œuvre de dispositifs d’OCT Plein Champ pour utilisation en contexte clinique, afin d’évaluer la performance de la technique pour le diagnostic peropératoire du cancer, en vue de son amélioration et optimisation. Dans cet objectif nous avons réalisé des travaux regroupés en 2 axes : Une partie translationnelle, consistant à développer un dispositif de microscopie optique par OCT Plein Champ répondant au besoin clinique pour le diagnostic peropératoire du cancer sur biopsies, en vue de l’évaluation de ses performances de diagnostic sur plusieurs problématiques cliniques : le diagnostic peropératoire du tissu mammaire, de résection de cerveau, ainsi que la qualification préopératoire de greffons cornéens. Une partie exploratoire, principalement instrumentale, dédiée à l’amélioration des performances de diagnostic de la technique, proposant de nouvelles approches multimodales (contraste de fluorescence, contraste dynamique) et multi-échelles, ou encore la déclinaison du dispositif sous la forme d’un endoscope rigide portable utilisable en contexte clinique
Among medical imaging techniques, optical imaging methods have been significantly developped during the past decades. More specifically, among recently proposed optical imaging techniques, Full-Field Optical Coherence Tomography – or FFOCT – provides unique capabilities, in particular regarding resolution and instrumental simplicity, which allows to consider its application to cancer diagnosis. This thesis demonstrates the design and implementation of new FFOCT devices for use in a clinical context, targeting improvement and optimization of the technique. Two major development parts have been realized : A translational part, comprising the development of a FFOCT microscope adapted to a clinical use for intraoperative diagnosis of cancer on tissue biopsies, and the assessment of its diagnosis performance for several clinical cases : the intraoperative diagnosis of breast tissue, of brain resections, and the preoperative qualification of corneal grafts. A research part - mainly instrumental - targeting the improvement of the diagnosis performance of the technique, based on new multimodal (fluorescence contrast, dynamic contrast) and multiscale approaches, or on the miniaturization of the device by developing a handheld rigid endoscope for clinical use

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
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

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
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

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)
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