La spectroscopie de réflectance diffuse résolue spatialement (SRDrs) est une méthode de biopsie optique qui cherche à estimer les spectres des propriétés d'absorption et de diffusion d'un tissu. Ces spectres contiennent une information riche sur la composition biochimique du tissu sondé ainsi que sur son histoarchitecture. Un des domaines d'applications est la dermatologie, où la SRDrs s'avère particulièrement adaptée à la détection de mélanomes. Une détection précoce des mélanomes est étroitement liée à un meilleur pronostic de la maladie. Puisque les tissus cancéreux ont une composition biochimique et une histoarchitecture différente des tissus sains, la SRDrs est un outil efficace pour assister les médecins au moment du diagnostic. Le principal avantage de la SRDrs par rapport à d'autres méthodes de biopsie optique est que l'instrumentation est très simple, ce qui permet de développer des montages compacts, portables et peu dispendieux. De plus, le signal spectral rétrodiffusé permet d'estimer simultanément les spectres d'absorption et de diffusion. Le principal inconvénient de la SRDrs est sa résolution spatiale. En effet, il est difficile de sonder un tissu très localement car le signal lumineux est typiquement envoyé par une fibre optique d'illumination et est collecté par plusieurs fibres de détection situées à différentes distances de la fibre d'illumination. Cette disposition offre peu de contrôle sur le volume échantillonné par la lumière. Ce volume dépend du positionnement des fibres d'illumination et de détection ainsi que des propriétés du milieu. Plus le volume échantillonné est grand, plus la lumière risque d'interagir avec différentes structures dans le tissu. Ceci est problématique puisque le milieu est généralement considéré comme homogène lors de la modélisation numérique de la propagation des photons. Cette approximation n'est pas appropriée pour les tissus épithéliaux qui présentent généralement une structure en couches. L'objectif de ce projet est de développer une sonde de SRDrs pour l'évaluation quantitative des spectres des propriétés optiques de milieux bicouches, en particulier pour la détection de mélanomes. La première partie de ce projet investigue la profondeur échantillonnée minimale qu'il est possible d'atteindre en SRDrs tout en respectant les conditions de validité des approximations du modèle numérique. Lorsque les conditions de validité des approximations ne sont pas respectées, l'estimation des propriétés optiques est alors qualitative plutôt que quantitative. Une estimation qualitative peut être suffisante pour assister au diagnostic, mais une estimation quantitative permet d'améliorer la connaissance sur la composition biochimique et l'histoarchitecture des tissus. De plus, des mesures quantitatives permettent de comparer les résultats entre différents montages expérimentaux. Pour évaluer la profondeur échantillonnée minimale en SRDrs, une méthodologie est développée pour définir les distances minimales et maximales entre les fibres d'illumination et de détection nécessaires à une évaluation quantitative des propriétés optiques. Afin de réduire au minimum la profondeur échantillonnée, le cas de fibres inclinées par rapport à la surface est considéré. La deuxième partie du projet consiste en une analyse numérique du problème inverse en SRDrs. L'objectif est de concevoir la géométrie d'une sonde qui permet d'estimer quantitativement les spectres des propriétés optiques d'un milieu bicouche. Pour ce faire, un modèle numérique pour estimer les propriétés optiques d'un milieu bicouche à partir de mesures de réflectance est développé. Le coût de calcul de ce modèle est très élevé. Diverses stratégies telles que l'utilisation de simulations de Monte Carlo à l'aide de cartes graphiques et la parallélisation massive sur des serveurs externes sont utilisées pour réduire le temps de calcul. Le modèle numérique est ensuite utilisé pour analyser l'effet de chaque paramètre géométrique de la sonde sur l'estimation des propriétés optiques. Les paramètres tels que le nombre de fibres optiques, leur positionnement et leur inclinaison sont successivement testés. Une géométrie de la sonde qui optimise la précision et la robustesse de l'estimation des propriétés optiques est développée. La géométrie choisie respecte les contraintes du modèle numérique présentées à la première partie et les contraintes expérimentales liées à la détection de mélanomes. Cette géométrie de sonde est ensuite validée numériquement en simulant des données artificielles bruitées. Les capacités et les limites de la sonde à estimer les propriétés de milieux bicouches sont caractérisées. Dans la troisième partie du projet, la sonde est fabriquée et intégrée à un montage expérimental de SRDrs. Des méthodes de traitement de signal et d'étalonnage sont développées à partir de mesures expérimentales. Des fantômes optiques homogènes et bicouches de propriétés connues sont utilisés pour valider les résultats numériques obtenus précédemment. La sonde et le modèle numérique d'estimation associé estiment les coefficients optiques de chacune des couches ainsi que la position de l'interface des fantômes optiques bicouches avec une erreur de moins de 20% pour des épaisseurs de la couche superficielle variant de 0.1 à 1.5 mm. Des mesures in vivo sur la peau sont acquises afin de démontrer l'intérêt de la sonde pour des applications dermatologiques. L'épaisseur estimée de l'épiderme concorde avec les valeurs rapportées dans la littérature. / Spatially resolved diffuse reflectance spectroscopy (srDRS) is an optical biopsy method that seeks to estimate a tissue's absorption and diffusion spectra. These spectra contain rich information about the biochemical composition of the tissue and its histoarchitecture. One area of application of srDRS is dermatology, where it is particularly well suited for detecting melanoma. Early detection of melanoma is closely related to a better prognostic. Because cancerous tissues have a biochemical composition and a histoarchitecture different from those of healthy tissues, srDRS is an efficient tool to assist medical practitioners during the diagnostic. The main advantage of srDRS compared to other optical biopsy methods is that the optical setup is simple, which allows the development of compact, portable, and cheap setups. Additionally, the backscattered spectral signal is used to simultaneously estimate the absorption and the scattering properties of the tissue. The main drawback is the spatial resolution because it is difficult to probe the sample in a very localized manner. This is because the light signal is typically sent from an illumination optical fiber and is collected by several detection fibers placed at different distances from the illumination fiber. This geometry offers little control over the volume sampled by light. The sampled volume depends on fiber placement as well as the optical properties of the sample. The greater the sampled volume is, the higher the probability of light interacting with several structures. This is problematic because the sampled volume is generally assumed to be homogeneous while modeling photon propagation inside the tissue. This assumption is not adequate for epithelial tissues, which often present a layered structure. The goal of this project is to develop an srDRS probe to quantitatively estimate the spectra of optical properties in bilayered media. The primary considered application for the probe is melanoma detection. The first part of the project is to investigate the minimal sampled depth that is achievable in srDRS while respecting the conditions for which the approximations in the numerical model are valid. When these conditions are not respected, the estimation of the optical properties can only be qualitative, as opposed to quantitative. A qualitative estimation may be sufficient to assist in the diagnostic, but a quantitative estimation can improve our knowledge of tissue structure and composition and has the added benefit of being comparable across different optical setups. To evaluate the minimal sampled depth in srDRS, a methodology is developed to define the minimal and maximal distances between the illumination and detection fibers that are required to obtain a quantitative estimation of the optical properties. To reduce as much as possible the sampled depth, fibers tilted with respect to the tissue's surface are considered. The second part of the project consists in a numerical analysis of the inverse problem in srDRS, where the goal is to design a probe geometry that allows a quantitative estimation of the optical properties' spectra in a bilayered medium. To carry out this analysis, a numerical model to estimate the optical properties of a bilayered medium from reflectance measurements is developed. The computation cost for this model is very high, so several strategies, such as using GPUs for the Monte Carlo simulations and massively parallelizing the problem on computing clusters, are used to reduce the computation time. The numerical model is then used to analyze the effect of each geometrical parameter of the probe on the estimation of the optical properties. The effect of each parameter, such as the number of optical fibers, their placement, and tilt angles are iteratively tested. A probe geometry is chosen to optimize the precision and robustness of the estimation of the optical properties. The chosen geometry satisfies the constraints of the numerical model presented in the first part as well as the experimental constraints related to melanoma detection. The chosen geometry is then numerically validated. By using synthetic noisy data, the capacities and limits of the probe to estimate the properties of bilayer media are characterized. In the third part, the probe is built and integrated into an experimental srDRS setup. A signal processing and a calibration scheme are developed and applied to experimental measures. Homogeneous and bilayer optical phantoms with known optical properties are used to validate the numerical results obtained in the second part of the project. The probe and the numerical model estimate the optical properties of each layer as well as the position of the interface between the two layers in bilayer phantoms with an estimation error of less than 20% when the thickness of the superficial phantom is between 0.1 and 1.5 mm. In vivo measures on the skin are acquired to demonstrate the capabilities of the probe for dermatological applications. The estimated epidermal thickness corresponds to the values reported in the literature.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/150843 |
| Date | 23 September 2024 |
| Creators | De Tillieux, Philippe |
| Contributors | Marquet, Pierre |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xviii, 168 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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