Diffuse Reflectance Endoscopic Imaging for Bladder Early-Stage Cancer and Pre-Cancer Diagnosis : Instrumentation, Modelling and Experimental Validation

par Nina Kalyagina

Thèse de doctorat en Automatique, Traitement du Signal et des Images, Génie informatique

Sous la direction de Didier Wolf, Victor Loshchenov et de Walter Blondel.

Soutenue le 30-03-2012

à l'Université de Lorraine en cotutelle avec Rossijskaâ akademiâ nauk (1992-). Sibirskoe otdelenie , dans le cadre de École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine , en partenariat avec Centre de recherche en automatique (Nancy) (laboratoire) .

Le président du jury était Fabrice Mériaudeau.

Le jury était composé de Ismaël Didelon.

Les rapporteurs étaient Fabrice Mériaudeau, Rudolf Steiner.

mots clés

• Analyse optique
• Diffusion de lumière
• Cancer de vessie
• Diffusion de Mie
• Simulations Monte Carlo
• Analyse de fluorescence
• Vessie -- Cancer -- Diagnostic
• Endoscopie
• Fluorescence

Titre traduit

Imagerie Endoscopique de Réflectance Diffuse pour le Diagnostic des Pré-Cancers et Cancers Précoces de la Vessie : Instrumentation, Modélisation et Validation Expérimentale

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances d'une méthode d'imagerie optique non-invasive pour la détection de précancers et cancers précoces de la vessie, à l'aide d'une analyse de lumière laser rétro-diffusée. L'analyse de la distribution spatiale de la lumière à la surface de fantômes multi-couches imitant l'épithelium de vessie avec différentes propriétés d'absorption et de diffusion nous a permis de montrer les modifications de ces propriétés optiques entraînent des changements de la taille de la surface du spot de lumière rétro-diffusée, mesurables par une caméra vidéo. La méthode développée est également sensible à l'accumulation d'un photosensibilisateur et est applicable aussi bien pour des études en réflectance diffuse qu'en fluorescence induite. Les paramètres optiques des fantômes synthétiques tri-couches imitant différents états des épithéliums de vessie ont été calculés à partir de la théorie des ondes électromagnétiques appliquée aux diffuseurs sphériques sans et avec une couche. Ces paramètres ont servi comme entrées aux simulations de Monte Carlo qui ont permis d'obtenir les matrices des distributions d'intensité de réflectance diffuse. Notre étude démontre que les mesures en imagerie de réflectance diffuse non-polarisée permettent de fournir des informations utiles au diagnostic tissulaire

mots clés

• Optical analysis
• Light scattering
• Bladder cancer
• Mie scattering
• Monte Carlo modeling
• Fluorescence analysis

Résumé

The present thesis aimed to evaluate the performance of non-invasive optical method for bladder pre- and early- cancer detection by means of diffuse-reflected laser light analysis. The analysis of light distribution at the surface of multi-layered bladder phantoms with different scattering and absorption properties showed that the changes in the optical properties lead to increase or decrease of the diffuse-reflected light spot area, detectable by a video camera. It was also determined, that the presented method is capable of detection of the photosensitizer accumulation, and can be applied for both (diffuse-reflected laser and fluorescence) studies simultaneously. The calculations for spherical and ?coated?-spherical tissue scatterers, based on the electromagnetic wave theory, allowed for obtaining optical parameters of three-layered biological phantoms and of bladder tissues at different states. These parameters served as inputs for Monte Carlo simulations, which provided us with matrices of diffuse-reflected light distributions. The study showed that the measurements of non-polarized back-scattered laser light can provide useful information on the tissue state