La tomographie de cohérence optique (OCT) est une technique d'imagerie non invasive, fondée sur le principe de I'interférométrie. Elle est maintenant un examen classique pour le dépistage et le suivi des affections rétiniennes, notamment des dégénérescences maculaires. C'est dans ce cadre que s'inscrit le premier objectif de ces travaux de thèse, où nous proposons une nouvelle méthode de segmentation des images OCT de sujets sains. Les principales difficultés sont liées au bruit des images, à la variabilité de la morphologie d’un patient à l’autre et aux interfaces mal définies entre les différentes couches. Notre nouvelle approche est fondée sur des algorithmes de segmentation plus globaux. Ainsi. huit couches rétiniennes peuvent étre détectées, y compris les segments internes (IS) des photorécepteurs. L’évolution lente des maladies rétiniennes pose le problème de l’évaluation de ces thérapeutiques. C’est dans ce cadre que s’inscrit le second objectif de cette thèse, où nous étendons le champ d’application des méthodes développées pour les sujets sains aux sujets atteints de rétinopathie pigmentaire. Nous avons ainsi développé un nouveau modèle paramétrique déformable qui intègre les informations a priori en ajoutant une contrainte de parallélisme. Dans les cas sains et pathologiques, nous avons réalisé une évaluation exhaustive qualitative et quantitative. Les résultats de segmentation automatique ont été comparés avec les segmentations manuelles réalisées par différents experts.Ces évaluations montrent une très bonne concordance et une forte corrélation entre les segmentations automatiques et les segmentations faites manuellement par un expert. / Optical coherence tomography (OCT) is a non-invasive imaging technique, based on the principle of interferometry. Thus, OCT is now a standard examination for the detection and the monitoring of retinal diseases including macular degeneration. In this context, the first objective of this thesis is to propose a new method for the segmentation of OCT images of healthy subjects. The proposed method exploits prior knowledge on the structure and the appearearance of the retinal layers. It is based on a combination of local and global segmentation algorithms, including active contours, k-means and Markov random fields. Thus, eight retinal layers can be detected, including the inner segments (IS) of photoreceptors. However, the slow evolution of this disease makes the evaluation of these therapies difficult. The second objective of this thesis is then to extend the scope of the method developed for healthy subjects to retinitis pigmentosa subjects. We have developed a new parametric deformable model that incorporates a priori information by adding a constraint of approximate parallelism, which is more robust in the presence of pathologies. In both healthy and pathological study cases, we performed a comprehensive qualitative and quantitative assessrnent of the proposed methods. We evaluated the accuracv of the segmentation of interfaces between layers, and, in the case of healthy subjects, the accuracy of the segmentation of interfaces between layers, and, in the case of healthy subjects, the precision of thickness measurements derived from the segmentation. This study was conducted on a large image database. These evaluations show a very good agreement anda strong correlation between automatic segmentation and segmentation done manually by an expert.

Titre de l'écran-titre (visionné le 2 octobre 2023) / Ce mémoire s'intéresse au développement d'un analyseur de spectre cohérent (COSA) utilisant un module laser à rétroaction répartie (DFB) comme oscillateur local (LO). L'objectif est de concevoir un analyseur de spectre cohérent plus petit, robuste et moins chers en remplaçant les lasers à cavité externe normalement utilisés, permettant ainsi d'employer de tels appareils autant dans des environnements de recherche scientifique et d'ingénierie que sur des lignes de productions ou de liens de communication déployés. L'introduction présente les méthodes d'analyse du spectre optique existantes ainsi que leurs limitations et les avantages des analyseurs de spectre optique cohérents par rapport à ces méthodes. Les bases théoriques derrière le fonctionnement des COSA sont également présentées. Le premier chapitre décrit le montage expérimental du COSA utilisé dans le cadre du mémoire. Les deux branches le composant sont décrites et la calibration nécessaire au fonctionnement de l'appareil est présentée. Le deuxième chapitre caractérise les performances de l'appareil. Le rapport signal sur bruit optique (OSNR) et la largeur de raie du signal à la sortie de l'amplificateur optique semi-conducteur (SOA) du module laser DFB sont mesurés et comparés aux performances de la portion électrique du montage afin de déterminer la dynamique et la résolution du COSA. L'appareil est ensuite utilisé pour mesurer le spectre d'un laser à cavité externe, avec et sans modulation d'amplitude, ainsi qu'avec un laser DFB. On trouve expérimentalement que le système possède une dynamique pouvant atteindre plus de 50 dB et une résolution de 10 MHz correspondant à la largeur de bande des filtres RF utilisés.

Le bruit de phase est un problème important dans la conception de systèmes cohérents optiques. Bien que le bruit de phase soit étudié énormément dans les communications sans fil, certains aspects de bruit de phase sont nouveaux dans des systèmes cohérents optiques. Dans cette thèse, nous explorons les statistiques de bruit de phase dans les systèmes optiques cohérentes et proposons une nouvelle technique pour améliorer la robustesse du système envers le bruit de phase. Notre première contribution traite de l’étude des statistiques de bruit de phase en présence de compensation électronique de la dispersion chromatique (CD) dans des systèmes cohérents. Nous montrons que le modèle proposé précédemment pour l’interaction de CD avec bruit de phase doit être modifié à cause d’un modèle trop simple pour la récupération de phase. Nous dérivons une expression plus précise pour le bruit de phase estimé par la récupération de phase avec décision dirigée (DD), et utilisons cette expression pour modifier les statistiques de décision pour les symboles reçus. Nous calculons le taux d’erreur binaire (BER) pour le format de transmission DQPSK semi-analytiquement en utilisant nos statistiques de décision modifiées et montrons que pour la récupération de phase idéale, le BER semi-analytique est bien assorti avec le BER simulé avec la technique Monte-Carlo (MC). Notre deuxième contribution est l’adaptation d’une technique de codage MLCM pour les systèmes cohérents limités par le bruit de phase et le bruit blanc additif Gaussien (AWGN). Nous montrons que la combinaison d’une constellation optimisée pour le bruit de phase avec MLCM offre un système robuste à complexité modérée. Nous vérifions que la performance de MLCM dans des systèmes cohérents avec constellations 16-aires se détériorés par le bruit de phase non-linéaire et de Wiener. Pour le bruit de phase non-linéaire, notre conception de MLCM démontre une performance supérieure par rapport àune conception de MLCM déjà présente dans la littérature. Pour le bruit de phase de Wiener, nous comparons deux format de transmission, constellations carrées et optimisée pour bruit de phase, et deux techniques de codage, MLCM et codage à débit uniforme. Nos résultats expérimentaux pour BER après codage suivent les mêmes tendances que le BER simulé et confirment notre conception. / Phase noise is an important issue in designing today’s optical coherent systems. Although phase noise is studied heavily in wireless communications, some aspects of phase noise are novel in optical coherent systems. In this thesis we explore phase noise statistics in optical coherent systems and propose a novel technique to increase system robustness toward phase noise. Our first contribution deals with the study of phase noise statistics in the presence of electronic chromatic dispersion (CD) compensation in coherent systems. We show that previously proposed model for phase noise and CD interaction must be modified due to an overly simple model of carrier phase recovery. We derive a more accurate expression for the estimated phase noise of decision directed (DD) carrier phase recovery, and use this expression to modify the decision statistics of received symbols. We calculate bit error rate (BER) of a differential quadrature phase shift keying (DQPSK) system semi-analytically using our modified decision statistics and show that for ideal DD carrier phase recovery the semi-analytical BER matches the BER simulated via Monte-Carlo (MC) technique. We show that the semi-analytical BER is a lower bound of simulated BER from Viterbi-Viterbi (VV) carrier phase recovery for a wide range of practical system parameters. Our second contribution is concerned with adapting a multi-level coded modulation (MLCM) technique for phase noise and additive white Gaussian noise (AWGN) limited coherent system. We show that the combination of a phase noise optimized constellation with MLCM offers a phase-noise robust system at moderate complexity. We propose a numerical method to design set-partitioning (mapping bits to symbols) and optimizing code rates for minimum block error rate (BLER).We verify MLCM performance in coherent systems of 16-ary constellations impaired by nonlinear and Wiener phase noise. For nonlinear phase noise, superior performance of our MLCM design over a previously designed MLCM system is demonstrated in terms of BLER. For Wiener phase noise, we compare optimized and square 16-QAM constellations assuming either MLCM or uniform rate coding. We compare post forward error correction (FEC) BER in addition to BLER by both simulation and experiment and show that superior BLER performance is translated into post FEC BER. Our experimental post FEC BER results follow the same trends as simulated BER, validating our design.

La tomographie de cohérence optique (OCT) est une technique d'imagerie non invasive, fondée sur le principe de I'interférométrie. Elle est maintenant un examen classique pour le dépistage et le suivi des affections rétiniennes, notamment des dégénérescences maculaires. C'est dans ce cadre que s'inscrit le premier objectif de ces travaux de thèse, où nous proposons une nouvelle méthode de segmentation des images OCT de sujets sains. Les principales difficultés sont liées au bruit des images, à la variabilité de la morphologie d'un patient à l'autre et aux interfaces mal définies entre les différentes couches. Notre nouvelle approche est fondée sur des algorithmes de segmentation plus globaux. Ainsi. huit couches rétiniennes peuvent étre détectées, y compris les segments internes (IS) des photorécepteurs. L'évolution lente des maladies rétiniennes pose le problème de l'évaluation de ces thérapeutiques. C'est dans ce cadre que s'inscrit le second objectif de cette thèse, où nous étendons le champ d'application des méthodes développées pour les sujets sains aux sujets atteints de rétinopathie pigmentaire. Nous avons ainsi développé un nouveau modèle paramétrique déformable qui intègre les informations a priori en ajoutant une contrainte de parallélisme. Dans les cas sains et pathologiques, nous avons réalisé une évaluation exhaustive qualitative et quantitative. Les résultats de segmentation automatique ont été comparés avec les segmentations manuelles réalisées par différents experts.Ces évaluations montrent une très bonne concordance et une forte corrélation entre les segmentations automatiques et les segmentations faites manuellement par un expert.

Cette thèse porte sur la segmentation et la caractérisation des artères coronaires et des endoprothèses (stent) en imagerie de Tomographie par Cohérence Optique (OCT). L’OCT est une imagerie de très haute résolution qui permet d’apprécier des structures fines comme la couche intimale de la paroi vasculaire et les mailles du stent (struts). L’objectif de cette thèse est de proposer des outils logiciels autorisant l’analyse automatique d’un examen avec un temps d’exécution compatible avec une utilisation peropératoire. Ces travaux font suite à la thèse de Dubuisson en OCT, qui avait proposé un premier formalisme pour la segmentation de la lumière et la détection des struts pour les stents métalliques. Nous avons revisité la chaine de traitement pour ces deux problèmes et proposé une méthode préliminaire de détection de stents en polymère biorésorbable. Une modélisation surfacique du stent a permis d’estimer une série d’indices cliniques à partir des diamètres, surfaces et volumes mesurés sur chaque coupe ou sur l’ensemble de l’examen. L’apposition du stent par rapport à la paroi est également mesurée et visualisée en 3D avec une échelle de couleurs intuitive. La lumière artérielle est délimitée à l’aide d’un algorithme de recherche de plus court chemin de type Fast Marching. Son originalité est d’exploiter l’image sous la forme hélicoïdale native de l’acquisition. Pour la détection du stent métallique, les maxima locaux de l’image suivis d’une zone d’ombre ont été détectés et caractérisés par un vecteur d’attributs calculés dans leur voisinage (valeur relative du maximum, pente en niveau de gris, symétrie...). Les pics correspondant à des struts ont été discriminés du speckle environnant par une étape de régression logistique avec un apprentissage à partir d’une vérité terrain construite par un expert. Une probabilité d’appartenance des pics aux struts est construite à partir de la combinaison des attributs obtenue. L’originalité de la méthode réside en la fusion des probabilités des éléments proches avant d’appliquer un critère de décision lui aussi déterminé à partir de la vérité terrain. La méthode a été évaluée sur une base de données de 14 examens complets, à la fois au niveau des pixels et des struts détectés. Nous avons également validé de façon exhaustive une méthode de recalage non rigide d’images OCT exploitant des amers appariés par un expert sur les examens source et cible. L’objectif de ce recalage est de pouvoir comparer les examens coupe à coupe et les indices calculés aux mêmes positions à des temps d’acquisition différents. La fiabilité du modèle de déformation a été évaluée sur un corpus de quarante-quatre paires d’examens OCT à partir d’une technique de validation croisée par Leave-One-Out. / This thesis deals with the segmentation and characterization of coronary arteries and stents in Optical Coherence Tomography (OCT) imaging. OCT is a very high resolution imaging that can appreciate fine structures such as the intimal layer of the vascular wall and stitches (struts). The objective of this thesis is to propose software tools allowing the automatic analysis of an examination with a runtime compatible with an intraoperative use. This work follows Dubuisson's thesis in OCT, which proposed a first formalism for light segmentation and strut detection for metal stents. We revisited the treatment chain for these two problems and proposed a preliminary method for detecting bioabsorbable polymer stents. Surface modeling of the stent made it possible to estimate a series of clinical indices from the diameters, surfaces and volumes measured on each section or on the entire examination. Applying the stent to the wall is also measured and visualized in 3D with an intuitive color scale. The arterial lumen is delineated using a Fast Marching short path search algorithm. Its originality is to exploit the image in the native helical form of the acquisition. For the detection of the metallic stent, the local maxima of the image followed by a shadow zone have been detected and characterized by a vector of attributes calculated in their neighborhood (relative value of the maximum, slope in gray level, symmetry ...). Peaks corresponding to struts were discriminated from the surrounding speckle by a logistic regression step with learning from a field truth constructed by an expert. A probability of belonging to the peaks to struts is constructed from the combination of attributes obtained. The originality of the method lies in the fusion of the probabilities of the close elements before applying a decision criterion also determined from the ground truth. The method was evaluated on a database of 14 complete examinations, both at the level of pixels and struts detected. We have also extensively validated a method of non-rigid registration of OCT images using bitters matched by an expert on the source and target exams. The objective of this registration is to be able to compare cut-to-cut examinations and indices calculated at the same positions at different acquisition times. The reliability of the strain model was evaluated on a corpus of forty-four pairs of OCT exams from a Leave-One-Out cross validation technique.

La diffraction constitue une limite fondamentale en microscopie, mais souvent cette limite n'est même pas atteinte. Des imperfections dans la formation d'image, appelées aberrations, peuvent être induites par le microscope ou l'échantillon. Un élément actif, dit correcteur, est intégré au chemin optique pour leur compensation. Les paramètres de ce correcteur doivent être déterminés sans dommage excessif pour l'échantillon. Il faut comparer le gain en signal et/ou en résolution avec cet endommagement, surtout pour des échantillons biologiques fragiles. En première partie de cette thèse je présente une modalité particulière de la microscopie par cohérence optique (nommé deep-OCM). Ce développement a permis la mesure exacte et in vivo de l'indice de réfraction moyen du cerveau du rat. Cette valeur implique que la microscopie bi-photonique est limitée par des aberrations optiques à partir d'une profondeur de 200 µm dans ce type d'échantillon. Le deep-OCM est bien adapté à l'imagerie de fibres nerveuses myélinisées. Des fibres individuelles peuvent être visualisées in vivo dans le cerveau à des profondeurs auparavant inaccessibles, supérieures à 300 µm. Dans la deuxième partie de cette thèse je présente le développement d'un autofocus et auto-stigmateur (nommé MAPFoSt) pour le microscope électronique à balayage qui permet d'assurer la qualité maximale des images lors d'un changement d'échantillon ou pendant des séries d'acquisitions de longue durée. MAPFoSt permet de déterminer avec précision les trois paramètres du focus et du stigmatisme en utilisant seulement deux images de test

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 vision à travers les milieux diffusants est rendue difficile à cause des interactions entre la lumière et les particules composant le milieu. Dans le cadre de la vision dans le brouillard, ces trvaux de thèse portent sur l'étude de deux techniques optiques : l'une fondée sur la tomographie par cohérence optique (OCT) couplée à un cristal photo-réactif (PCR) et l'autre reposant sur le principe de la rétro-injection dans un micro-laser. Un modèle analytique fondé sur la théorie de Mie est développé pour prédire la décroissance du rapport signal à bruit dans une scène bruitée par du brouillard. L'exploitation des résultats analytique met en avant la nécessité de sélectionner l'information utile et d'éliminer le bruit lumineux lors des prises de vue pour conserver des images correctement contrastées . Nous démontrons le fort potentiel exploitable des deux techniques d'imagerie étudiées puisqu'elles reposent sur le principe de sélection du signal utile. Le montage OCT-PRC réalise une sélection par cohérence temporelle et le montage de rétro-injection laser une sélection spatiale. Les résultats obtenus en présence d'un milieu perturbateur sont détaillés en explicitant les limitations des dispositifs actuels et les voies d'améliorations à entreprendre.

La capacité de la tomographie par cohérence optique (OCT) à délivrer des images tomographiques de tissus biologiques in vivo, de manière non invasive et en temps réel, a suscité un intérêt croissant pour de nombreuses applications biomédicales, principalement en ophtalmologie pour l'imagerie de la rétine et du segment antérieur de l'œil. Toutefois, pour l'imagerie à haute résolution de tissus biologiques fortement diffusants, comme la sclérotique et la cornée œdémateuse, la technique nécessitait des améliorations technologiques. Dans cette thèse, un système d'OCT " Fourier-domain " (FD-OCT) à très haute résolution spatiale (< 4 µm), à la longueur d'onde de 1,3 µm, a été développé dans la Laboratoire Charles Fabry - Institute d'Optique Graduate School. Avec ce système original, nous avons réussi, pour la première fois, à visualiser correctement le canal de Schlemm de l'œil humain qui se trouve à une profondeur d'environ 0,8 mm dans le limbe de la cornée, milieu fortement diffusant. L'imagerie du canal de Schlemm est capitale afin d'envisager la chirurgie par laser du glaucome, qui consiste à inciser cette partie de l'œil afin d'améliorer l'écoulement de l'humeur aqueuse. Par ailleurs, en collaboration avec le Laboratoire d'Optique Appliquée de l'ENSTA ParisTech, nous avons démontré la possibilité de contrôler en temps réel par OCT des découpes par laser femtoseconde pratiquées dans la cornée humaine in vitro. Ces travaux ont montré que l'opération du Glaucome par laser femtoseconde, contrôlée par OCT, devrait être possible.

Les avancées technologiques ont ouvert la voie à des approches de biopsie optique innovantes. Elles permettent à l'inverse des méthodes physiques de profiter des avantages d'une procédure mini-invasive, temps réels et répétitive. Le système de tomographie par cohérence optique (OCT) (la technique de biopsie optique utilisée dans cette thèse) propose des approches qui naviguent dans le corps humain grâce à des sondes endoscopiques robotisées. Toutefois, leur contrôle une fois à l’intérieur du corps devient difficile, surtout si l’objectif est de suivre l’évolution d'une zone cible, en faisant un travail de repositionnement dans le temps. L'asservissement visuel est un outil de choix pour le contrôle et le positionnement directement par l'image. Néanmoins, la richesse des informations présentes dans les images autorisent l'utilisation de plusieurs types d'information visuelle. Dans ce contexte, nous proposons l'utilisation de primitives visuelles innovantes fondées sur les ondelettes. Ainsi, deux approches d'asservissements visuels fondées sur les ondelettes ont été développées. La première approche est un asservissement visuel 2D pose fondé sur les ondelettes spectrales continues qui assure une convergence sur un espace plus important avec une bonne robustesse au bruit et une commande découplée. La deuxième est un asservissement visuel 2D direct fondé sur les ondelettes multirésolution, principalement pour faire du positionnement aux petits déplacements. Par ailleurs, la deuxième méthode couvre les 6 DDL quand la première se limite aux 3 DDL dans les images CCD. De plus, ces deux approches ont prouvé leurs aptitudes à faire du positionnement des coupes OCT. Mais encore, nous avons proposé une méthode de positionnement partitionnée que nous pouvons qualifier d'hybride, car elle exploite deux modalités d'images (OCT - CCD) pour assurer un positionnement sur SE(3) d'un échantillon. De même, nous avons proposé une méthode d'étalonnage des images de coupe et de volume OCT, liée aux distorsions générées par le chemin optique parcouru par le faisceau laser OCT. Finalement, ces travaux ouvrent la voie vers des applications dans le positionnement des volumes OCT, la compensation de mouvement physiologique et le suivi d'outils par des images OCT. / The technological advances have facilitated the optical biopsy approaches, unlike physical methods to take advantage of a minimally invasive, real time and repetitive procedure. The optical coherence tomography system is one of the optical biopsy techniques used in this thesis to prospect in the human body with robotized OCT endoscopic probes. Nevertheless, their control once inside the body becomes difficult, especially if the goal is following changes in the target area. The visual servoing is an ideal tool for the control and positioning of the robot. However, the amount of information present in the images allows the use of several types of visual features. In this thesis, we propose to use an innovative visual servoing feature based on wavelets. This representation developed as the evolution of the Fourier transform for non-stationary signals provides a time-frequency representation of the signal with a better extraction of the relevant information. Indeed, two visual servoing approaches based on wavelets were developed. The first approach is a 2D pose visual servoing based on spectral continuous wavelets, which ensures convergence over a larger area and decoupled control. The second is a direct 2D visual servoing based on multiresolution wavelets, mainly for small displacements positioning. However, the latter covers the 6 DOF when the previous one is limited to 3 DDL with a CCD camera. Both approaches have proven their ability to make the positioning of B-Scan OCT images. After that, we have proposed a method of partitioned positioning, that we can qualify by hybrid because it uses two image modalities to ensure SE(3) positioning of a sample. On the other side, we proposed a calibration method of B-Scan and 3D-Scan OCT images, due to the distortions generated by the optical path of the laser beam in OCT. Finally, these thesis is a beginning work for applications in positioning of 3D-Scan OCT, physiological motion compensation and monitoring tools by OCT images.