Conception, mise en œuvre et caractérisation d’un dispositif d’imagerie polarimétrique de Mueller endoscopique pour l’aide au diagnostic médical in vivo in situ

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Conception, mise en œuvre et caractérisation d’un dispositif d’imagerie polarimétrique de Mueller endoscopique pour l’aide au diagnostic médical in vivo in situ
Publication du sujet sur le site de l’ABG : NON
Nature du financement : Financement institutionnel, Contrat Doctoral, Financement régional, Contrats université sur projets,)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Physique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Biologie, médecine, sant
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Institut Xlim Limoges
Laboratoire d’accueil : XLIM/PHOTONIQUE

Introduction
Au cours des dix dernières années, les techniques d’imagerie polarimétrique optique (mesure de degré de polarisation, ellipsométrie, imagerie de Mueller) ont prouvé leur intérêt pour l’aide au diagnostic précoce de diverses pathologies, en particulier celles qui affectent la structure du collagène. Les travaux les plus pertinents sont ceux de S. Jacques et al. en dermatologie, de Bueno et al. en ophtalmologie, ou du groupe d’ A. de Martino (LPICM, Ecole Polytechnique) sur la détection du cancer du col de l’utérus ou du colon. D’un autre côté, l’imagerie polarimétrique in vivo in situ d’organes profonds doit faire appel à des techniques endoscopiques avec un déport de la lumière par fibre optique. Or l’emploi d’une fibre optique est réputé incompatible avec la polarimétrie du fait des modifications incontrôlables de la polarisation induites par la traversée de la fibre. Des solutions ont pourtant été démontrées et brevetées au laboratoire récemment, permettant la mesure de certains paramètres (DOP, biréfringence) à travers une fibre optique. Mais une caractérisation beaucoup plus complète (mesure de la matrice de Mueller) est en général indispensable pour une aide au diagnostic efficace. L’objet de cette thèse sera justement de permettre une telle caractérisation et de réaliser, pour la première fois, un imageur polarimétrique de Mueller endoscopique.

Présentation de l’équipe de recherche
Au sein du département photonique d’Xlim (50 chercheurs, enseignants-chercheurs et doctorants), une quinzaine de personnes se consacrent à différentes thématiques relevant de la bio-photonique. L’une de ces thématiques concerne l’imagerie linéaire et non linéaire déportée par fibre optique (fluorescence, SHG, THG, réponse en polarisation). 4 chercheurs permanents, 3 doctorants et un ingénieur contractuel sont actuellement engagés sur ces questions. Les travaux sont essentiellement soutenus par des programmes ANR (In Vivo ONL et IMULE).

Résumé de la thèse en français
La thèse a pour objectif de concevoir, mettre en œuvre et évaluer un dispositif imageur de Mueller endoscopique. Le but est de démontrer, pour la première fois, la faisabilité d’images de Mueller complètes de tissus profonds, grâce à un déport de la lumière par fibre optique. Les solutions envisagées ont été proposées dans le cadre du projet ANR « Imagerie de Mueller Endoscopique (IMULE) » sélectionné en 2012.
L’étude comprendra principalement:
– une partie de simulations de la réponse polarimétrique du dispositif aux longueurs d’onde d’intérêt,
– la construction et la caractérisation fine des différents éléments,
– la recherche et la mise en œuvre des moyens de compensation des perturbations induites par la fibre,
– une validation sur des cibles calibrées puis sur des pièces opératoires en relation avec le milieu hospitalier,
– la mise au point d’un système de balayage optique miniaturisé et compatible avec la polarimétrie pour passer de caractérisations ponctuelles à des images de champs d’étendues suffisantes.

Résumé de la thèse en anglais
The aim of this thesis is to design, implement and evaluate a very first Mueller imaging device able to provide images through a fiber endoscope. The targeted application is complete Mueller imaging of deep tissues, for biological diagnosis of different diseases at early state. This work is supported by the french ANR project « Endoscopic imaging Mueller (IMULE) » ( 2012-2014).
The study will include mainly:
– Simulations of the polarimetric response of the device at the wavelengths of interest,
– Construction and detailed characterization of the different elements,
– Research and implementation of techniques to compensate for perturbations induced by the fiber,
– Validation with calibrated targets and application to biological samples.

Description complète du sujet de thèse
La thèse couvrira un vaste champ d’action aux frontières entre la physique photonique (étude de l’évolution des états de polarisation de la lumière à travers un ensemble complexe de composants optiques massifs ou fibrés), la métrologie, et la biologie.
Le doctorant contribuera d’abord à la réalisation d’un polarimètre de Mueller en transmission et en réflexion, en collaboration avec le Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces (LPICM) de l’Ecole Polytechnique, partenaire du projet IMULE. Par la suite, il intercalera un (des) système(s) de déport à fibre optique entre le module d’émission et l’échantillon et entre l’échantillon et le module de mesure, pour simuler l’endoscope. Grâce à des méthodes différentielles originales, il cherchera à retrouver la matrice de Mueller de l’échantillon afin d’en déduire sa réponse polarimétrique complète.
En parallèle, des simulations seront effectuées pour évaluer le potentiel du dispositif, sa sensibilité aux perturbations extérieures et l’incertitude minimale prévisible sur les différents paramètres mesurés (taux de dépolarisation, biréfringence, dichroïsme, …). Un aspect important du travail sera l’identification des méthodes de décomposition adéquates permettant la meilleure détermination des paramètres polarimétriques recherchés.
Un fois le banc expérimental construit et caractérisé, on passera à l’étape de validation. Il s’agira d’abord de retrouver les caractéristiques de cibles « coopératives », bien identifiées par ailleurs. Puis on travaillera sur des échantillons biologiques, en relation avec l’Institut Mutualiste Montsouris (IMM), autre partenaire du projet IMULE. Un des critères de succès sera la capacité du dispositif à fournir des paramètres polarimétriques discriminants entre échantillons sains et échantillons pathologiques.
Enfin, en s’appuyant sur l’expérience acquise au laboratoire concernant la réalisation de têtes optiques de balayage miniaturisées, un système compatible avec les mesures polarimétriques à réaliser sera construit, caractérisé puis exploité en bout de la fibre endoscopique, en vue de réaliser des images de résolution et d’étendue suffisantes.

Objectifs scientifiques de la thèse
L’objectif final de cette thèse est la démonstration de la faisabilité d’une mesure polarimétrique complète de Mueller fiable à travers les composants perturbateurs incontrôlables que sont les fibres optiques. Dans le cadre de cette étude, plusieurs aspects plus fondamentaux seront approfondis:
– l’évolution des états de polarisation de la lumière au sein d’une fibre optique, sous l’effet de diverses perturbations physiques (courbures, torsions, gradients thermiques, …) et les moyens de les contrôler,
– la sensibilité spectrale des polarimètres imageurs de Mueller, en fonction de la nature des composants utilisés,
– le conditionnement optimal et les méthodes de décomposition pertinentes des matrices mesurées, dans le cas de déports par fibres optiques.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de la thèse, le doctorant aura acquis des compétences scientifiques dans différents domaines, en particulier la polarimétrie optique, l’instrumentation optique et la métrologie, l’interaction lumière-tissus biologiques, ainsi que certaines techniques de diagnostic médical en relation avec l’anatomopathologie.

Mots clés (séparés par des virgules)
Polarimétrie, instrumentation, bio-photonique, fibres optiques
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Directeur de thèse
Dominique Pagnoux
Adresse mail du directeur de thèse : dominique.pagnoux@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05 55 45 72 47
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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