Identification of corneal mechanical properties using optical tomography and digital volume correlation

par Jiawei Fu

Thèse de doctorat en Systèmes Mécaniques et Matériaux

Sous la direction de Fabrice Pierron.

Soutenue le 26-03-2014

à Troyes en cotutelle avec Loughborough university , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube) , en partenariat avec China Scholarship Council (Organisme gouvernemental étranger) .

Le président du jury était Manuel François.

Le jury était composé de Fabrice Pierron, Manuel François, Sam Evans, Stéphane Avril, Pablo D. Ruiz, Jonathan Huntley.

Les rapporteurs étaient Sam Evans, Stéphane Avril.

  • Titre traduit

    Identification de la mécanique de la cornée par la tomographie optique et la corrélation de volume numérique


  • Résumé

    Ce travail présente une méthodologie efficace pour mesurer le champ de déformation total en 3-D des tissus mous semi-transparents et diffusant la lumière, tels que la cornée de l'œil vertébré. Cela a été obtenu en utilisant la tomographie par cohérence optique couplée avec la corrélation volumique numérique sur des fantômes en caoutchouc de silicone et de la cornée porcine. Des tests de traction et des tests d'inflation postérieure ont été étudiés. Avant ces tests, l'effet du bruit et la décorrélation des speckles due à la déformation sont d'abord étudiés en utilisant des méthodes expérimentales et numériques. Le biais d'interpolation dans les résultats de déformation a été analysé. Deux approches efficaces ont été prises pour réduire le biais d'interpolation. Pour extraire les paramètres constitutifs des mesures de déformation 3-D, la méthode des champs virtuels a été étendue en 3-D. Les champs virtuels définis manuellement et les champs virtuels optimisés par morceaux ont été développés et comparés entre eux. Des efforts ont également été déployés pour corriger les distorsions induites par réfraction dans les reconstructions de la tomographie par cohérence optique. Des tests d'inclinaison des différents fantômes de silicone ont été introduits afin d’évaluer la performance de la méthode pour corriger les reconstructions distordues


  • Résumé

    This work presents an effective methodology for measuring the depth-resolved 3-D full-field deformation of semitransparent, light scattering soft tissues such as vertebrate eye cornea. This was obtained by performing digital volume correlation on optical coherence tomography volume reconstructions of silicone rubber phantoms and porcine cornea samples. Both the strip tensile tests and the posterior inflation tests have been studied. Prior to these tests, noise effect and strain induced speckle decorrelation were first studied using experimental and simulation methods. The interpolation bias in the strain results has also been analyzed. Two effective approaches have been introduced to reduce the interpolation bias. To extract material constitutive parameters from the 3-D full-field deformation measurements, the virtual fields method has been extended into 3-D. Both manually defined virtual fields and the optimized piecewise virtual fields have been developed and compared with each other. Efforts have also been made in developing a method to correct the refraction induced distortions in the optical coherence tomography reconstructions. Tilt tests of different silicone rubber phantoms have been implemented to evaluate the performance of the refraction correction method in correcting the distorted reconstructions


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