Utilisation de la lumière polarisée elliptiquement pour une résolution en profondeur de l'imagerie des tissus biologiques en réflectance diffuse

Elliptically polarized light for depth resolved diffuse reflectance imaging in biological tissues

• Auteur / Autrice : Susmita Sridhar
• Direction : Anabela Da Silva, Turgut Durduran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d'Image
• Date : Soutenance le 05/10/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Universitat politècnica de Catalunya - BarcelonaTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Instituto de ciencias fotónicas (Barcelone, Espagne)
• Jury : Président / Présidente : Walter Blondel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pablo Loza-Alvarez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Udo Weigel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique physique

Granularité (optique)

Polarisation (lumière)

Mots clés libres

Polarisation

La lumière polarisée elliptiquement

Polarization gating

Résolution de profondeur

Imagerie biomedicale;

Polarization

Elliptically polarized light

Polarization gating

Depth resolution

Biomedical imaging;

Résumé

L’imagerie de filtrage en polarisation est une technique populaire largement utilisée en optique pour le biomédical pour le sondage des tissus superficiels, pour le sondage de volumes plus profonds, mais aussi pour l’examen sélectif de volumes sub-surfaciques. Du fait de l’effet de ’mémoire de polarisation’ de la lumière polarisée, l’imagerie de filtrage en polarisation elliptique est sensible á des épaisseurs de tissus différentes, depuis la surface, accessible avec la polarisation linéaire, jusqu’á une épaisseur critique accessible par la polarisation circulaire. Nous nous concentrons sur des méthodes utilisant des combinaisons de polarisations elliptiques afin de sélectionner la portion de lumière ayant maintenu son état de polarisation et éliminer le fond pour un meilleur contraste avec de plus une information sur la profondeur. Avec ce type de filtrage, il est possible d’accéder á des profondeurs de tissus biologiques bien définies selon l’ellipticité de polarisation. De plus, ces travaux ont permis d’étendre la méthode á la spectroscopie pour quantifier la concentration en chromophores á une profondeur spécifique. Les méthodes développées ont été validées in vivo á l’aide d’expériences réalisées sur des anomalies de la peau et aussi sur le cortex exposé d’un rat anesthésié. Enfin, une étude préliminaire a été réalisée pour examiner la possibilité d’étendre la méthode á l’imagerie de 'speckle'. Des tests préliminaires réalises sur fantômes montrent l’influence de l’ellipticité de polarisation sur la formation et le comportement du speckle, ce qui offre la possibilité d’accéder á des informations sur le flux sanguin á des profondeurs spécifiques dans les tissus.

Polarization gating imaging is a popular and widely used imaging technique in biomedical optics to sense tissues, deeper volumes, and also selectively probe sub-superficial volumes. Due to the ‘polarization memory’ effect of polarized light, elliptical polarization gating allows access to tissue layers between those of accessible by linear or circular polarizations. As opposed to the conventional linearly polarized illumination, we focus on polarization gating methods that combine the use of elliptically polarized light to select polarization-maintaining photons and eliminate the background while providing superior contrast and depth information. With gating, it has also become possible to access user-defined depths (dependent on optical properties) in biological tissues with the use of images at different ellipticities. Furthermore, this investigation allowed the application of polarization gating in spectroscopy to selectively quantify the concentration of tissue chromophores at user-desired depths. Polarization gating methods have been validated and demonstrated with in vivo experiments on abnormalities of human skin (nevus, burn scar) and also on the exposed cortex of an anaesthetized rat. Finally, as a first step towards the use of coherent illumination, adding the concept of polarimetry to laser-speckle imaging was demonstrated. Preliminary tests on phantoms (solid and liquid) suggested evidence of the influence of polarization ellipticity on the formation and behaviour of speckles, which could pave the way for more insight in the study of blood flow in tissues.