Développements instrumentaux en imagerie tomographique et polarimétrique

Les méthodes optiques pour le diagnostic médical connaissent un engouement majeur depuis les années 1990. Citons deux exemples, parmi tant d’autres, de ce regain d’intérêt : en 1993 a lieu le premier congrès international SPIE BiOS sur l’optique biomédicale et en 1996 paraît pour la première fois la revue « Journal of Biomedical Optics ». Les techniques d’optique biomédicale semblent en effet très prometteuses : elles sont non destructives, non invasives et sans contact, même si les fortes absorption et diffusion de la lumière par les tissus biologiques rendent souvent difficiles les applications in vivo. Les domaines d’application sont nombreux : fluorescence, imagerie acousto-optique, tomographie optique, polarimétrie, oxymétrie, spectroscopie, etc. Les contrastes observés proviennent de la différence d’interaction de la lumière avec les tissus biologiques suivant leur nature et leur architecture.

Lorsque cette thèse a débuté, en septembre 2001, l’objectif initial était de développer un système de tomographie cohérente, couplé à un polarimètre de Mueller, dans un but biomédical. Pour permettre une application éventuelle, cet instrument se devait d’être peu coûteux et facile d’utilisation. Afin de faciliter cette étude, nous avions choisi de développer successivement un OCT (de l’anglais Optical Coherence Tomography) en lumière blanche, basé sur un interféromètre de Linnik, puis un polarimètre imageur de Mueller. L’imagerie polarimétrique nous ayant semblé beaucoup plus prometteuse, nous avons choisi de ne pas réunir les deux instruments et d’effectuer les premières études pour l’in vivo en 2003.

La plupart des OCT présentés dans la littérature utilise comme source lumineuse un LASER et un interféromètre à fibre optique. Cette configuration présente en effet un certain nombre d’avantages : un bon rapport signal à bruit, une profondeur de pénétration pouvant aller jusqu’à 1 mm et une utilisation facilitée pour l’endoscopie. Cependant, leurs inconvénients majeurs restent leur coût et leur complexité. L’interféromètre de Linnik, utilisé en lumière blanche, nous a semblé alors une alternative possible. Il permet d’obtenir une bonne résolution axiale, mais avec la contrepartie d’un moins bon rapport signal à bruit, et d’une plus faible profondeur de pénétration. Le premier chapitre débute par une présentation générale de la tomographie cohérente optique. En se basant sur l’exemple de l’OCT à fibre de l’équipe du professeur Fujimoto au MIT, nous tentons de dégager les avantages et inconvénients de tels systèmes. Puis, après un bref état de l’art sur les microscopes interférentiels en lumière blanche, nous présentons la configuration de Linnik. Ce chapitre est aussi l’occasion de présenter le fonctionnement de l’instrument que nous avons développé au sein du laboratoire, ainsi que sa caractérisation. Enfin, nous terminons par des images d’échantillons variés tels que des cellules épithéliales de la joue, une cornée de lapin ainsi qu’une lamelle d’échalote.

Tomographie Cohérente Optique (OCT)

En microscopie classique, une observation à l’intérieur de l’échantillon est rendue impossible par la contribution à la formation de l’image des différents photons diffusés. La Tomographie cohérente optique (OCT) permet d’imager une section d’un échantillon diffusant tel qu’un tissu biologique. Dans ce dispositif , un interféromètre de Michelson est éclairé par une source lumineuse de très faible cohérence. Un des deux miroirs est remplacé par l’échantillon, le second sert alors de miroir de référence. On obtient des interférences entre le faisceau provenant d’une réflexion sur le miroir de référence, et celui provenant de réflexions sur des plans à l’intérieur de l’échantillon, si la différence de chemin optique est inférieure à la longueur de cohérence de la source lumineuse. Ainsi, seuls les photons provenant du plan imagé dans le tissu et cohérents avec ceux provenant du bras de référence donnent une figure d’interférences; les photons diffusés, cause de dégradation de l’image, sont éliminés.

Interféromètres à fibre optique

Pour ce type d’interféromètre, la source doit à la fois posséder une faible cohérence temporelle et une grande cohérence spatiale pour que la lumière puisse être couplée efficacement dans la fibre. Ces deux conditions, qui semblent contradictoires, se trouvent réunies pour des longueurs d’onde bien définies, par des sources très onéreuses, telles que les LASERS Ti :Saphir à modes bloqués ou par les diodes superluminescentes (SLD).

Les résolutions axiales typiques de ces sources sont de l’ordre de 10 à 15 µm pour les SLD (pour des puissances de l’ordre de 10 mW), et de 3 à 5 µm pour des LASERS Ti:Saphir « ordinaires ». La meilleure résolution axiale de 1,5 µm a été obtenue avec un LASER Ti:Saphir extrêmement sophistiqué (impulsions correspondant à une largeur à mi-hauteur de 350 nm centré à 800 nm) par Drexler et ses collaborateurs .

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Tomographie Cohérente Optique (OCT)
1. Interféromètres à fibre optique
2. Interféromètre de Linnik
2.1 Etat de l’art
2.2 Description de l’instrument
3. Réglage de l’interféromètre
4. Mécanisme de formation des franges
5. Caractéristiques de l’instrument
5.1 Résolution latérale
5.2 Résolution axiale
5.3 Spectre de l’instrument
6. Obtention de l’enveloppe et de la phase de l’intensité
7. Mesure du rapport signal à bruit
8. Images tomographiques d’échantillons biologiques
8.1 Cellules épithéliales de l’intérieur de la joue
8.2 Cornée de lapin prise dans de la résine
8.3 Echalote sans lamelle couvre-objet
9. Conclusion
Bibliographie
Chapitre II : Description de la lumière partiellement polarisée :
formalisme de Stokes, matrices de Mueller
1. Vecteur de Stokes
2. Sphère de Poincaré
3. Matrice de Mueller
3.1 Définitions
3.2 Critère de physicité
3.3 Transformation par rotation
3.4 Dichroïsme et polarisance
3.4.1 Dichroïsme
3.4.2 Polarisance
3.4.3 Propriété d’invariance par rotation
4. Composants optiques « élémentaires » de polarisation
4.1 Dichroïques élémentaires
4.1.1 Polariseurs « parfaits »
4.1.2 Polariseurs partiels
4.2 Déphaseurs élémentaires
4.3 Matrice d’un déphaseur dichroïque linéaire
4.4 Dépolariseurs
5. Décomposition polaire d’une matrice de Mueller
5.1 Décomposition « classique »
5.1.1 Calcul de MD
5.1.2 Calcul de Mρ et de MR
5.2 Discussion
6. Conclusion
Bibliographie
Chapitre III : Polarimètre à cristaux liquides
1. Propriétés générales des polarimètres (ou ellipsomètres)
1.1 Définitions
1.2 Dispositif de base
1.3 Conditionnement des matrices de modulation et d’analyse
1.4 Dispositifs de modulation de la polarisation
1.4.1 Polarimètre mécanique à lame quart d’onde tournante
1.4.2 Modulateurs photo élastiques
1.4.3 Modulateurs utilisant l’effet Pockels
1.4.4 Modulateurs à cristaux liquides
1.4.4.1 Cristaux liquides nématiques
1.4.4.1.a Description
1.4.4.1.b Utilisation
1.4.4.2 Cristaux liquides ferroélectriques
2. Mise en œuvre du polarimètre à cristaux liquides
2.1 Considérations générales sur le PSG
2.2 Considérations générales sur le polarimètre
2.3 Optimisation du PSG et du PSA
2.3.1 Optimisation de W
2.3.2 Optimisation de A
2.4 Réalisation expérimentale
3. Etalonnage
3.1 Procédure générale
3.2 Détermination de la matrice W à partir d’un jeu de mesures de références
3.3 Choix des éléments de référence
3.4 Réalisation expérimentale
3.5 Avantages et inconvénients de l’étalonnage ECM
4. Caractérisation de l’instrument
4.1 Mesure sur un polariseur dichroïque
4.2 Mesure sur un compensateur
4.3 Stabilité temporelle de la mesure : test sur la mesure de la matrice unité
5. Conclusion
Bibliographie
Chapitre IV : Imagerie polarimétrique
1. Etat de l’art des différentes techniques d’imagerie polarimétrique
1.1 Imagerie simple en lumière polarisée
1.2 Mesure du degré de polarisation linéaire
1.2.1 Principe de la mesure
1.2.2 Etat de l’art
1.3 Cartographie de biréfringence
1.4 Imagerie de Stokes
1.5 Imagerie de Mueller
2. Résultats en degré de polarisation obtenus sur des cols de l’utérus extraits (ex-vivo)
2.1 Pathologies du col de l’utérus
2.2 Histologie du col de l’utérus
2.3 Matériel et protocole
2.4 Images
3. Polarimètre imageur de Mueller à cristaux liquides en transmission
3.1 Instrument
3.2 Etalonnage
3.3 Caractérisation
3.3.1 Polariseur linéaire
3.3.2 Eléments présentant de la dépolarisation
3.3.2.1 Lame épaisse de quartz
3.3.2.2 Lame de quartz avec coin
4. Images de Mueller d’échantillons d’intérêt médical
4.1 Biopsies hépatiques
4.1.1 Généralités sur la fibrose du foie
4.1.2 Images polarimétriques d’un échantillon de foie au stade de la cirrhose
4.1.3 Comparaison des différents stades de la maladie
4.2 Cornée de lapin
4.3 Artère de rat
5. Conclusion
Bibliographie
Conclusion