Développement de systèmes de microscopie par cohérence optique pour l'imagerie de la peau

Development of optical coherence microscopy systems for skin imaging

• Auteur / Autrice : Jonas Ogien
• Direction : Arnaud Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/11/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Biophotonique
• Jury : Président / Présidente : Christophe Gorecki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Dubois, Katharine Grieve, Audrey Bowden, Frédéric Pain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul Montgomery

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Microscopie

Tomographie en cohérence optique

Imagerie médicale -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Imagerie médicale et biologique

Tomographie par cohérence optique

Microscopie tridimensionnelle

Microscopie interférométrique

Medical and biological imaging

Optical coherence tomography

Three-Dimensional microscopy

Interference microscopy

Résumé

La microscopie par cohérence optique (OCM) est une technique d'imagerie tomographique basée sur l'interférométrie en lumière blanche permettant d'imager les milieux biologiques à l'échelle microscopique. L'OCM est une méthode particulièrement adaptée à l'imagerie dermatologique, en particulier pour le diagnostic du cancer de la peau, car elle permet d'obtenir des images similaires aux images histologiques sans nécessiter d'effectuer de biopsie.Ces travaux de thèse portent sur le développement de la microscopie par cohérence optique pour l'imagerie de la peau, dans le but de fournir au dermatologue un outil d'imagerie compact, adapté à l'imagerie dermatologique in vivo, et permettant d'obtenir des images à la fois structurelles et fonctionnelles.Un dispositif de microscopie par cohérence optique plein champ (FF-OCM) compact, à éclairage par LED blanche, a tout d'abord été développé, permettant d'obtenir des images tomographiques à très haute résolution (0.7 μm × 1.8 μm) jusqu’à ∼200 μm de profondeur dans la peau. En utilisant une LED de haute puissance, des images de peau in vivo ont pu être obtenues.A partir de ce dispositif de FF-OCM, des méthodes d'imagerie fonctionnelle permettant de cartographier les écoulements sanguins (angiographie) ont été mises en oeuvre. Quatre méthodes, basées sur une analyse du signal interférométrique (temporelle ou fréquentielle), d'images de phase ou d'images d'amplitude ont permis d'imager de l'intralipide s'écoulant dans un modèle de capillaire sanguin.L'imagerie fonctionnelle polarimétrique a aussi été explorée en FF-OCM. Une optimisation du contraste des images polarimétriques a été obtenue en modifiant les composants polarisants d'un montage conventionnel de FF-OCM polarimétrique en fonction de l'échantillon imagé. Cette méthode a été testée sur un échantillon polarisant simple.Finalement, une nouvelle méthode d'OCM, la microscopie par cohérence optique confocale à éclairage « ligne » (LC-OCM) a été étudiée, dans le but de développer un système permettant d'imager la peau in vivo, avec une plus grande profondeur de pénétration dans les tissus que la FF-OCM. Ce système, combinant un filtrage interférométrique et un filtrage confocal, a permis d'obtenir des images de peau in vivo en coupe verticale et en coupe en face, avec une résolution spatiale similaire à celle de la FF-OCM, mais à une profondeur supérieure atteignant 300 μm.

Optical coherence microscopy (OCM) is a technique for tomographic imaging based on white light interferometry, making it possible to image biological media with micrometer-scale spatial resolution. OCM is particularly well-suited to dermatological imaging, especially skin cancer diagnosis, since it provides images that are similar to histological images without the need for biopsy.This PhD thesis focuses on the development of OCM for skin imaging, with the aim of providing a compact, in vivo imaging tool for the dermatologist, capable of acquiring structural and functional images of the skin.A compact, full-field OCM (FF-OCM) system illuminated by a white LED was first developed, making it possible to obtain tomographic images at an ultra-high resolution (0.7 μm × 1.8 μm), up to ∼200 μm in depth within the skin. Using a high power LED, in vivo skin images could be obtained.Using this FF-OCM setup, functional imaging methods for blood flow mapping (angiography) were implemented. Four methods, based on temporal or frequency analysis of the interferometric signal, phase images or amplitude images, have been shown to be able to image intralipid flow within a model blood capillary.Functional polarimetric imaging has also been explored in FF-OCM. Contrast optimization in polarimetric images has been obtained by modifying the polarizing components of the conventional polarization sensitive FF-OCM setup depending on the sample to be imaged. This method has been tested on a simple polarizing sample.Finally, a new OCM method, line-field confocal OCM (LC-OCM), has been studied. The goal here was to develop a system capable of imaging the skin in vivo, with a tissue penetration depth greater than what is possible for FF-OCM. This system, which combines interferometric filtering and confocal filtering, makes it possible to obtain in vivo skin images in vertical and en face slices, with a spatial resolution similar to that of FF-OCM, but with a greater penetration depth of 300 μm.