Conception et mise en œuvre de la tomographie optique cohérente plein-champ assisté par optique adaptative pour l'imagerie rétinienne in vivo à haute résolution

Design and implementation of Adaptive Optics Full-Field Optical Coherence Tomography for in-vivo retinal imaging

• Auteur / Autrice : Yao Cai
• Direction : Kate Grieve, Pedro Baraçal de Mecê
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de la vision (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Fragola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Gigan, Kiyoko Gocho
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Pircher, Delphine Débarre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Système nerveux central

Optique adaptative

Rétine

Tomographie en cohérence optique

Mots clés libres

Imagerie rétinienne

Optique adaptative

Tomographie par cohérence optique

Retinal imaging

Adaptive optics

Optical coherence tomography

Résumé

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.

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.