Analyse et interprétations expérimentales en polarimétrie de Mueller : applications biomédicales

Analysis and interpretation of experimental Mueller polarimetry : biomedical applications

• Auteur / Autrice : Loïc Martin
• Direction : Bernard Le Jeune
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la matière. Milieux dilués et optique fondamentale
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en biologie

Polarimétrie

Mots clés libres

Optique

Instrumentation

Caractérisation

Polarisation

Polarimétrie

Matrice de Mueller

Étalonnage

Milieux biologiques

Imagerie

Résumé

Le cadre de ce travail s’inscrit dans le contexte de l’imagerie polarimétrique de Mueller. En effet, l’acquisition d’images portant l‘information polarimétrique peut s’avérer très intéressante pour caractériser spatialement des milieux micro ordonnés comme les tissus biologiques, en particulier en tant que moyen d’investigation biophysique non invasif d’éventuelles altérations des tissus biologiques. Le premier chapitre revient sur l’utilisation de l’onde optique comme moyen d’investigation biophysique en abordant les enjeux et les difficultés d’une imagerie optique des tissus biologiques, milieux complexes où cohabitent phénomènes d’absorption et de diffusion. En étudiant les propriétés des tissus biologiques, et notamment du collagène, nous justifions le choix de l’imagerie polarimétrique comme agent de contraste dans le cadre de notre étude. Le deuxième chapitre définit le concept de polarisation de la lumière ainsi que les principaux outils mathématiques permettant sa compréhension et son analyse. Le troisième chapitre revient sur les techniques de décomposition de toute matrice de Mueller en éléments simples, outils indispensables afin de récupérer l’information pertinente contenue dans la matrice de Mueller expérimentale. Le quatrième chapitre présente le dispositif expérimental utilisé dans le cadre de cette étude. Il s’agit d’un gonio-poiarimètre imageur à 808 nm utilisant des lames de phase tournantes. Le cinquième chapitre décrit l’influence de la propagation des erreurs statistiques dans les différentes décompositions sur le choix de l’algorithme le plus adapté à la configuration expérimentale. Nous y présentons, à la fois, une procédure de détermination de la décomposition adéquate et un nouvel algorithme « hybride », basé sur les décompositions introduites au chapitre 3, qui limite la propagation des erreurs de mesure et lève toute ambiguïté sur les matrices obtenues. Le sixième chapitre présente les résultats expérimentaux obtenus lors de l’étude du syndrome cutané d’irradiation aiguë. Le septième et dernier chapitre se penche sur l’étude de la fibrose hépatique. Grâce aux images de différents échantillons de foie, du foie sain au foie cirrhosé (fibrose sévère), nous montrons que la mesure des paramètres polarimétriques introduits, couplée aux techniques déjà existantes, peut se révéler utile à l’identification des stades de fibrose.

As part of this work is in the context of the Mueller polarimetric imaging. Indeed, the acquisition of images with polarimetric information can be very interesting to characterize spatially ordered micro environments such as biological tissues, particularly as a means of non-invasive biophysical investigation of possible alterations in biological tissues. The thirst chapter returns to the use of the optical wave as a biophysical investigation by addressing issues and challenges of optical imaging of biological tissues, complex environments where live absorption and diffusion. By studying the properties of biological tissues, including collagen, we justify the choice of polarimetric imaging as a contrast agent as part of our study. The second chapter defines the concept of polarization of light and the main mathematical tools for understanding and analysis. The third chapter discusses the techniques of decomposition of any Mueller matrix into simple elements, essential tools to retrieve relevant information contained in the experimental Mueller matrix. The fourth chapter presents the experimental device used in this study. This is a goniometer imager-polarimeter at 808 nm using rotating waveptates. The fifth chapter describes the influence of error propagation in the different Mueller matrix decompositions on the choice of the algorithm best suited to the experimental configuration. We present both a procedure for determining the adequate decomposition algorithm and a new “hybrid” based on the decomposition introduced in Chapter 3, which limits the propagation of measurement errors and to remove ail ambiguity about the matrices obtained. The sixth chapter presents the experimental results obtained in the study of radiation-induced damage to the skin. The seventh and final chapter focuses on the study of liver fibrosis. With images of different samples of liver, from healthy liver to liver cirrhosis (severe fibrosis), we show that the measurement of polarimetric parameters introduced, coupled with existing techniques, may be useful in identifying the stages of fibrosis.