Développement d'un endomicroscope multiphotonique compact et flexible pour l'imagerie in vivo haute résolution de tissus biologiques non marqués

Development of a compact and flexible multiphoton endomicroscope for in vivo high-resolution imaging of label-free biological tissues

• Auteur / Autrice : Guillaume Ducourthial
• Direction : Frédéric Louradour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 24/09/2014
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Bourg-Heckly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Louradour, Cathie Ventalon, Anne Druilhe, Alexandre Kudlinski, Rodney O'Connor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Rigneault, Marie-Claire Schanne-Klein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endoscopes

Fibres optiques

Imagerie (technique)

Mots clés libres

Imagerie non linéaire par fibre optique

Micro-scanner à fibre optique

Micro- optique pour l’endoscopie

Fiber optics nonlinear imaging

Micro fi ber scanning system

Micro-optics for endoscopy

Résumé

La microscopie multiphotonique est un outil essentiel d’investigation en biologie cellulaire et tissulaire. Son extension à l’endoscopie est l’objet d’intenses efforts de recherche pour des applications en neurosciences (imagerie cérébrale du petit animal) ou en clinique (diagnostic précoce, aide à la biopsie). Ce manuscrit porte sur le développement d’un endomicroscope multiphotonique présentant des performances inédites. Ce dispositif est alimenté par un oscillateur titane-saphir standard. Vient ensuite un module de pré-compensation des distorsions linéaires et non linéaires se produisant dans la fibre endoscopique. Ce module permet d’obtenir des impulsions compressées de 39 fs à la sortie d’une fibre microstructurée air-silice innovante à double gaine de 5 mètres de long qui est optimisée pour l’excitation multiphotonique (cœur central de 3,4 µm à maintien de polarisation) et la collection du signal produit par les cibles biologiques. A l’extrémité de la fibre, on trouve une sonde endoscopique, de 2,2 mm de diamètre pour 37 mm de long, composée d’un micro-scanner à fibre optique et d’un micro-objectif achromatique de distance de travail supérieure à 400 µm. La résolution spatiale de l’appareil vaut 0,83 µm et l’acquisition se fait en simultané sur deux canaux spectraux à 8 images/s. L’appareil a permis l’enregistrement d’images in vivo sans marquage des tubules et de la capsule rénale, respectivement par fluorescence à deux photons des flavines et par génération de second harmonique du collagène, avec 30 mW sur les tissus et jusqu’à 300 µm sous la surface de l’organe.

Multiphoton microscopy is an essential investigative tool in cell and tissue biology. Its extension to endoscopy is the subject of intensive research for applications in neuroscience (brain imaging of small animals) or clinical (early diagnosis, help for biopsy). This manuscript focuses on the development of an endomicroscope with multiphoton unprecedented performance. This device is powered by a standard titanium-sapphire oscillator. Then comes a pre-compensation module of linear and nonlinear distortions occurring in the endoscopic fiber. This module provides compressed pulses of 39 fs at the direct output of 5 meters long innovative double-clad air-silica microstructured fiber which is optimized for multiphoton excitation (polarization maintaining central core of 3.4 µm) and the collection of the signal produced by biological targets. At the end of the fiber, there is an endoscopic probe, 2.2 mm in diameter and 37 mm long, composed of a micro fiber scanning system and an achromatic micro-objective with a working distance greater than 400 µm. The spatial resolution of the device is 0.83 µm and the acquisition is done simultaneously on two spectral channels at 8 frames/s. The device has recorded in vivo images without label of the tubules and the renal capsule, respectively by two-photon excitation fluorescence of flavins and second harmonic generation of collagen, with 30 mW on the tissues and 300 µm below the surface of the organ.