Thèse soutenue

Diffusion élastique optique pour l'identification de pathogènes

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Auteur / Autrice : Valentin Genuer
Direction : Éric Lacot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Optique et radiofrequences
Date : Soutenance le 20/10/2017
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Imagerie et systèmes d'acquisition (Grenoble) - Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Patricia Segonds
Examinateurs / Examinatrices : Éric Lacot, Theo Lasser, Frédéric Mallard, François Ramaz, David Rousseau
Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Orlik, Yoshitate Takakura

Résumé

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Dans un contexte mondial de prolifération de pathogènes résistants aux antibiotiques, il y a un réel besoin de nouvelles techniques de diagnostic microbiologique rapides et fiables. Ce travail de thèse vise à apporter une meilleure compréhension de la technique d’identification microbienne par diffusion élastique (ELS pour Elastic Light Scattering). Cette méthode phénotypique utilise la diffraction d’un faisceau de lumière cohérente sur une colonie microbienne directement sur son milieu de culture. L’image de diffraction alors obtenue est considérée comme la signature phénotypique du microorganisme étudié. Cette image est ensuite transformée au moyen de descripteurs mathématiques afin de la comparer à une base de données pré-calculée au moyen d’algorithmes d’apprentissage automatiques. Dans un premier temps, l’architecture optique de l’instrument a été modifiée afin de le rendre compatible avec les milieux de culture opaque très répandus en diagnostic clinique. Deux approches ont ensuite été proposées afin de modéliser l’interaction lumière/colonie microbienne. Une première approche d’optique géométrique par lancer de rayons nous a permis d’apprécier les besoins en termes d’ouverture numérique pour l’acquisition des images de diffraction selon le profil morphologique des colonies. La seconde approche basée sur la théorie scalaire de la diffraction a permis de mettre en évidence l’importance de la répartition de la biomasse à l’intérieur de colonies. En effet, les macrostructures résultantes de l’empilement des cellules microbiennes jouent un rôle majeur dans la formation des images de diffraction. Dans un second temps, une procédure systématique d’amélioration des performances de classification a été proposée. Elle combine une description plus fidèle des images de diffraction via la projection sur une base de Fourier-Bessel, une optimisation par recherche de grille sur les paramètres de l’algorithme d’apprentissage automatique supervisé et enfin l’application d’une méthode de réduction de dimensionnalité. Grâce à cela nous pouvons par exemple proposer un test Gram+/Gram-/Levures avec un taux de discrimination de plus de 98% sur une base de 15 espèces. Enfin, l’utilisation de l’illumination cohérente a également été étendue à la lecture d’antibiogrammes par analyse dynamique de speckle.