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Sujet de Thèse : Spectroscopie multi-échelle quantitative pour le diagnostic in vivo
Dates : 2017/10/01 - 2020/09/30
Directeur(s) CRAN : Walter BLONDEL , Marine AMOUROUX
Autre(s) Directeur(s) : Dr. Anne PLANAT-CHRETIEN (anne.planat-chretien@cea.fr)
Description : L’imagerie multi spectrale (ISM) grand champ fait l’objet de travaux récents dans le domaine du diagnostic du fait de sa capacité à fournir une information spectrale sur une large zone d’intérêt ciblée. Elle permet, grâce à l’acquisition de mesures de réflectance de surface à des longueurs d’onde ciblées, d’estimer les propriétés optiques de tissus biologiques ie. la composition du milieu en chromophores connus révélatrices d’anomalies tissulaires. Elle adresse deux défis majeurs pour le diagnostic clinique : la rapidité de la mesure et sa non invasivité. Les systèmes d'ISM actuels proposent une estimation relative des Paramètres Optiques (PO) d'absorption et de diffusion basée sur une hypothèse préalable de diffusion pour estimer l’absorption qui conduit à des résultats peu reproductibles.
Le système ‘Dual –Step Technique’ développé au CEA-Leti couple l'ISM à une mesure spectroscopique locale de réflectance diffuse résolue spatialement (SR-DRS) pour fournir une mesure quantitative grand champ. Cette technique. L’analyse de la réflectance obtenue aux différentes distances permet de séparer et d’estimer les valeurs des PO qui sont une valeur moyenne du mlilieu sondé ponctuellement. Mais, cette technique ne permet pas de fournir une solution simple et rapide de cartographie 2D des PO sur une large zone tissulaire (qques cm2). Nous avons mis en place une instrumentation et méthode associée permettant de déterminer par une mesure DRS un coefficient de diffusion commun par zone et d’estimer le coefficient d’absorption par MSI, accédant ainsi à une cartographie 2D quantitative rapide non invasive des deux coefficients.
La thèse proposée vise à construire un nouvel outil diagnostique pour le clinicien permettant de cibler sur une image spectrale quantitative une zone d’intérêt résolue en profondeur. Le système fournira ainsi une mesure représentative du métabolisme local, des structures du milieu et de leur extension en profondeur avec une résolution axiale unique comparé aux systèmes de SRDRS actuels. Notre stratégie est de développer une approche DRS par capteur matriciel couplant ISM et DRS qui offre un potentiel considérable en termes d’informations spectrales résolues en profondeur. La résolution du capteur matriciel permettra en effet de mesurer la réflectance diffuse à un grand nombre de petites distances successives, et ainsi de sonder le tissu avec des résolutions spatiale et axiale plus élevées. La reconstruction séquentielle des PO depuis la surface vers les couches les plus profondes conduira à l’estimation des concentrations locales de chromophores d’un milieu hétérogène et non plus d’un milieu homogène moyen comme précédemment. Le capteur utilisé pour la mesure quantitative locale des paramètres optiques du milieu hétérogène étant matriciel, il peut être utilisé pour l’ISM grand champ ; ce potentiel d’instrumentation couplée permet d’envisager une solution produit intégrable dans diverses modalités.

Les applications d’un tel outil de spectroscopie multi-échelle quantitative sont multiples en santé. L’information de profondeur peut être nécessaire lorsqu’il s’agit de s’affranchir de l’effet d’une première couche telle que l’épiderme – qui peut masquer un phénomène d’hydratation/perfusion/etc identique sous-jacent s’il n’est pas pris en compte. La sensibilité en profondeur peut être déterminante pour aider le clinicien à préciser ses limites/marges latérales et axiale chirurgicales au moment de l’exérèse de lésions cancéreuses (carcinomes, mélanomes). Enfin la profondeur peut être cruciale pour définir l’effet d’un médicament et permettre de localiser le phénomène d’action.

Les innovations attendues dans le cadre de ce travail de thèse sont instrumentales ( mise en œuvre d'une approche DRS sans contact avec capteur matriciel) et méthodologiques (exploitation des potentialités du capteur matriciel pour une exploration résolue en profondeur et estimation robuste des paramètres optiques). Par ailleurs la solution technique envisagée par DRS-CCD permet de proposer une solution simple, non invasive et sans contact.

La première année de ce travail de thèse visera à montrer que l’information de profondeur est accessible en DRS-CCD sans contact. Un banc optique devra être construit sur la base des systèmes existants au laboratoire et prendre en compte les limitations actuelles relevées : profil de l’illumination, réflexions parasites, temps d’intégration, influence de courbure de l’échantillon. Pour dimensionner le banc, le doctorant pourra s’aider de simulations Monte-Carlo multicouches du milieu d’intérêt adaptées à la nouvelle géométrie d’acquisition. La première année sera donc une année de conception et de développement de la chaîne d'acquisition DRS matricielle. La sensibilité de la mesure à l’information de profondeur devra être quantifiée en fonction des paramètres optiques du milieu.

En deuxième année, cette information locale de profondeur sera utilisée pour résoudre le problème inverse, c’est-à-dire estimer les valeurs des paramètres optiques d’un modèle multicouches du milieu sondé. Le balayage en profondeur pourra être progressif, de manière à les estimer pour des couches successives grâce à la résolution pixel de la caméra couplée à un objectif pour sonder le milieu en profondeur. La validation expérimentale s’effectuera (i) sur des fantômes synthétiques mimant les propriétés de diffusion et d’absorption des tissus biologiques d’intérêt, puis selon l’avancement des travaux (ii) sur fantômes hybrides (synthétique et tissu ex vivo) et/ou sur tissus cutanés ex vivo et/ou in vivo avec une analyse histologique de référence associée. La problématique posée par un modèle multi-couches devient vite complexe ; des travaux sont en cours au sein des équipes encadrantes qui visent à résoudre ce problème par des approches de localisation de sources et/ou de méta-modélisation, afin de trouver un compromis entre simplicité et fidélité.

La troisième année permettra de coupler l’estimation en profondeur obtenue localement à une image multi spectrale grand champ. Il s’agira de démontrer l’intérêt diagnostique de l’outil proposé par exemple sur une mesure d’oxymétrie quantitative en profondeur. Les validations expérimentales pourront être réalisées de façon comparative à des dispositifs de référence utilisés en clinique (pression transcutanée en oxygène).
Mots clés : Diffuse reflectance, multiscale spectroscopy, multispectral imaging, depth resolution
Conditions : Durée : 36 mois à partir de 09/2017 ou 09/2018

Thèse en collaboration entre :
1) CRAN UMR 7039 CNRS – Université de Lorraine (UL), site Brabois (Vandoeuvre), Département Santé Biologie Signal (SBS)
2) CEA-Leti, Département/Service DTBS/STD, Laboratoire LISA, Grenoble

Profil attendu :
- Formation de physicien consolidée par des compétences en instrumentation optique/optoélectronique
- Connaissance de langages de programmation : Matlab, C/C++
- Très bon niveau d'anglais
- Autonome dans l'analyse bibliographique et la communication scientifique (présentations orales, écriture d'articles)
- Intéressé à des fonctions en R&D des systèmes optiques pour le médical et les biotechnologies
- Capable de développer des compétences en expérimentation et en traitement des données
Département(s) :
Santé - Biologie - Signal
Financement : NC (Région Grand Est ou CONACYT ou autre)
Publications : hal-01246724v1, hal-01416842v1, hal-01246723v1, hal-01316456v1, hal-00757157v1    + CRAN - Publications