Academic literature on the topic 'Tomographie à cohérence optique plein champ dynamique'

Pour accompagner la révolution des cultures cellulaires dérivées de cellules souches pluripotentes humaines, qui permettent la modélisation de maladies, le développement de thérapies et la médecine personnalisée sans recourir à des modèles animaux, les outils d’imagerie adaptés font défaut. La tomographie par cohérence optique plein champ dynamique offre un contraste métabolique pour une ima- gerie haute résolution non invasive, sans marquage, et en direct dans les cultures 2D et 3D, pour l'étude longitudinale de cellules et d'échantillons humains.

La tomographie par cohérence optique ou OCT a révolutionné le diagnostic oculaire. Nous avons proposé une variante de l’OCT, dite « plein champ » (FFOCT) dont les principales applications se sont situées en cancérologie ex et in vivo. Nous souhaitons ici introduire une nouvelle méthode de tomographie plein champ par transmission (FFOTT) et comparer les avantages et inconvénients des deux méthodes.

La tomographie par cohérence optique, plus communément appelée par son acronyme anglais OCT (optical coherence tomography), est une technique d’imagerie non invasive des milieux biologiques, à résolution micrométrique, dont l’impact le plus remarquable concerne l’ophtalmologie. L’OCT « plein champ » est une approche originale de l’OCT, inventée par les auteurs de cet article, qui est désormais disponible commercialement. Après avoir exposé le principe de l’OCT plein champ, nous détaillerons ses performances en soulignant les avantages et les inconvénients par rapport à l’OCT classique. Les potentialités de cette technique seront illustrées par quelques exemples d’applications dans les domaines de l’embryologie, la biologie du développement, l’ophtalmologie et la cancérologie. Enfin, nous présenterons différentes extensions de l'OCT plein champ, exploitant la biréfringence des tissus ainsi que leurs propriétés spectroscopiques et élastiques.Les mouvements des structures intracellulaires dans les tissus fraîchement prélevés peuvent également constituer une source de contraste complémentaire pour l'imagerie par OCT plein champ.

La rétinopathie diabétique et les dystrophies rétiniennes sont rarement concomitantes en raison de l’effet protecteur des dystrophies rétiniennes contre la rétinopathie diabétique, et il existe peu de documentation sur la concomitance de la rétinopathie diabétique et des dystrophies rétiniennes. Ce rapport décrit un cas rare de rétinopathie diabétique proliférative chez un patient atteint de dystrophie cônes-bâtonnets. Cette coexistence n’est pas seulement unique dans sa présentation, elle souligne également le rôle important des tests auxiliaires, notamment l’autofluorescence du fond de l’œil, l’angiographie par fluorescéine, la tomographie par cohérence optique et l’électrorétinogramme plein champ. Les tests génétiques peuvent également faciliter le diagnostic. La pathophysiologie du développement concomitant de ces troubles est abordée. Ce cas souligne la nécessité d’approfondir les recherches sur la pathophysiologie de la rétinopathie diabétique, en particulier chez les patients qui ont une dystrophie rétinienne.

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