Raman spectroscopy is a powerful tool in the field of biomedicine for disease diagnosis owing to its potential to provide the molecular fingerprint of biological samples. However due to the inherent weak nature of the Raman process, there is a constant quest for enhancing the sensitivity of this technique for enhanced diagnostic efficiency. This thesis focuses on achieving this goal by integrating advanced methods with Raman spectroscopy. Firstly this thesis explores the applicability of a laser based fluorescence suppression technique – Wavelength Modulated Raman Spectroscopy (WMRS) - for suppressing the broad luminescence background which often obscure the Raman peaks. The WMRS technique was optimized for its applications in single cell studies and tissue studies for enhanced sensing without compromising the throughput. It has been demonstrated that the optimized parameter would help to chemically profile single cell within 6 s. A two fold enhancement in SNR of Raman bands was demonstrated when WMRS was implemented in fiber Raman based systems for tissue analysis. The suitability of WMRS on highly sensitive single molecule detection techniques such as Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) and Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy (SERRS) was also explored. Further this optimized technique was successfully used to address an important biological problem in the field of immunology. This involved label-free identification of major immune cell subsets from human blood. Later part of this thesis explores a multimodal approach where Raman spectroscopy was combined with Optical Coherence Tomography (OCT) for enhanced diagnostic sensitivity (>10%). This approach was used to successfully discriminate between ex-vivo adenocarcinoma tissues and normal colon tissues. Finally this thesis explores the design and implementation of a specialized fiber Raman probe that is compatible with surgical environments. This probe was originally developed to be compatible with Magnetic Resonance Imaging (MRI) environment. It has the potential to be used for performing minimally invasive optical biopsy during interventional MRI procedures.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR NEMRO, visant à étudier le lien entre déficience olfactive et maladies neurodégénératives. A cet effet, une biopsie optique de l’épithélium olfactif doit être réalisée. Son accès est cependant impossible, aujourd’hui, avec les outils conventionnels. Pour résoudre ce problème, nous proposons l’utilisation d’un robot à tubes concentriques (RTC). Sa synthèse est réalisée à partir d’images médicales. Elle prend en compte les critères de stabilité, la variabilité inter-sujet, et est associée à un déploiement ALFI (A La File Indienne). Le dispositif étant porté par le sujet, il doit être léger et compact. Une séquence de déploiement spécifique simplifie alors l’unité d’actionnement, et une implémentation est réalisée par fabrication additive multimatériaux. L’évaluation préliminaire d’un déploiement ALFI et des éléments de technologie clés a permis de valider l’approche retenue dans le projet NEMRO, ainsi que sa faisabilité. / This PhD thesis is part of the ANR NEMRO project, whose goal is to study the hypothetical correlation between olfactory deficiency and neurodegenerative diseases. For this purpose, an optical biopsy of the olfactory epithelium must be performed. However, this area is not accessible today with conventional tools. To go beyond this limitation, we propose to investigate the use a concentric tube robot (CTR). Its synthesis is performed from medical images. It takes into account the stability criteria, inter-subject variability, and is associated to a FTL (Follow-The-Leader) deployment. As the device is mounted on the subject, it has to be compact and lightweight. Thus, a specific deployment sequence simplifies the actuation unit, and an implementation is proposed using multimaterial additive manufacturing. Preliminary evaluations of the FTL deployment capabilities and the key components of the device allowed to validate the approach chosen for the NEMRO project, and its feasibility.

AL’objectif de ce travail de recherche est le développement, la mise au point et la validation d’une méthode de spectroscopie multi-modalités en diffusion élastique et autofluorescence pour caractériser des tissus biologiques in vitro et in vivo. Ces travaux s’organisent en quatre axes. La première partie des travaux présente l’instrumentation : développement, réalisation et caractérisation expérimentale d’un système de spectrométrie bimodale multi-points fibrée permettant l’acquisition de spectres in vivo (distances variables, acquisition rapide). La deuxième partie porte sur la modélisation des propriétés optiques du tissu : développement et validation expérimentale sur fantômes d’un algorithme de simulation de propagation de photons en milieux turbides et multi-fluorescents. La troisième partie propose une étude expérimentale conduite ex vivo sur des anneaux artériels frais et cryoconservés. Elle confirme la complémentarité des mesures spectroscopiques en diffusion élastique et autofluorescence et valide la méthode de spectroscopie multi-modalités et l’algorithme de simulation de propagation de photons. Les résultats originaux obtenus montrent une corrélation entre propriétés rhéologiques et optiques. La quatrième partie développe une seconde étude expérimentale in vivo sur un modèle pré-clinique tumoral de vessie. Elle met en évidence une différence significative en réflectance diffuse et/ou en autofluorescence et/ou en fluorescence intrinsèque entre tissus sains, inflammatoires et tumoraux, sur la base de longueurs d’onde particulières. Les résultats de la classification non supervisée réalisée montrent que la combinaison de différentes approches spectroscopiques augmente la fiabilité du diagnostic. / This research activity aims at developing and validating a multimodal spectroscopy method in elastic scattering and autofluorescence to characterize biological tissues in vitro and in vivo. It is articulated in four axes. At first, instrumentation is considered with the development, the engineering and the experimental characterization of a fibers bimodal, multi-points spectrometry system allowing the acquisition of spectra in vivo (variable distances, fast acquisition). Secondly, the optical properties of tissues are modelled with the development and the experimental validation on phantoms of a photons propagation simulation algorithm in turbids media and multi-fluorescent. Thirdly, an experimental study has been conducted ex vivo on fresh and cryopreserved arterial rings. It confirms the complementarity of spectroscopic measurements in elastic scattering and autofluorescence, and validates the method of multi-modality spectroscopy and the simulation of photons propagation algorithm. Results have well proved a correlation between rheological and optical properties. Finally, one second experimental study in vivo related to a pre-clinical tumoral model of bladder has been carried out. It highlights a significant difference in diffuse reflectance and/or autofluorescence and/or intrinsic fluorescence between healthy, inflammatory and tumoral tissues, on the basis of specific wavelength. The results of not supervised classification show that the combination of various spectroscopic approaches increases the reliability of the diagnosis.

La microscopie multiphotonique est une modalité d’imagerie de pointe offrant des opportunités d’avancées remarquables en biologie mais aussi dans le domaine médical. Afin d’en exploiter pleinement le formidable potentiel au cœur même de la pratique clinique, le développement de nombreuses sondes miniaturisées à fibre optique pour l’endomicroscopie multiphotonique (EMMP) a eu lieu depuis de nombreuses années et dans de nombreux laboratoires français et étrangers. Il s’est pour l'instant confronté à des limitations majeures comme l’impossibilité de recueillir les signaux d’auto-fluorescence des tissus qui sont intrinsèquement faibles comme ceux venant des co-enzymes métaboliques NADH et FAD. Cette limitation compromet l'utilité de l’EMMP en la restreignant à une imagerie morphologique requérant un marquage exogène des tissus. Ce manuscrit présente une architecture d’EMMP permettant de dépasser cette limitation, capable de proposer une imagerie fonctionnelle du métabolisme cellulaire en temps réel, in vivo, in situ, sans marquage. Le prototype d’EMMP proposé est une amélioration du précédent, où les Grisms en réflexions sont remplacés par des Grisms en transmission, permettant d’élargir la bande spectrale d’utilisation et la transmission du système. Ce prototype voit aussi l’adjonction d’un second laser excitateur afin d’accéder aux fluorescences du NADH et du FAD. Les résultats démontrent capable que nous sommes à même d’imager les fluorescences cellulaires intrinsèques au travers de 5 mètres de fibre optique avec une résolution subcellulaire. Parmi celles-ci nous sommes capables d’exciter et de collecter spécifiquement les fluorescences du NADH et du FAD. Enfin nous détectons assez de photons pour disposer d‘informations quantitatives et donc de proposer une image du rapport d’oxydo-réduction optique en endomicroscopie. / Nonlinear microscopy is a cutting edge imaging modality leading to remarkable step forward in biology but also in the clinical field. To use it at its full potential and at the very heart of clinical practice, there has been several development of fiber-based micro-endoscope. The application for those probes is now limited by few major restrictions, such as the impossibility to collect auto-fluorescence signal from tissues theses being inherently weak such as the fluorescence from NADH or FAD. This limitation reduces the usefulness of the micro-endoscope effectively restraining it to morphological imaging modality requiring staining of the tissue. Our aim is to go beyond this limitation, showing cellular metabolism monitoring, in real time, without any staining. The experimental setup is an upgrade of our precedent one where the reflection- based Grism stretcher is replace with a new generation transmission-based Grism stretcher. Another Laser was also added in order to tune the first laser at 860nm to allow FAD imaging and the second one to 760nm for NADH. The results prove that we assess and image the level of NADH and FAD at subcellular resolution through a five-meter-long fiber. Thus we demonstrate that we are capable of measuring the optical redox ratio in a micro-endoscopic configuration.