Caractérisation objective et quantitative de la transparence cornéenne par OCT plein champ et microscopie holographique

Objective and quantitative assessment of corneal transparency using full-field OCT and digital holographic microscopy

• Auteur / Autrice : Romain Bocheux
• Direction : Karsten Plamann, Kristina Irsch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Lévêque-Fort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaëlle Georges
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilles Tessier, Gilles Thuret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbidité

Lumière -- Diffusion

Tomographie en cohérence optique

Cornée

Mots clés libres

Transparence

Cornée

Objectif

Quantitatif

OCT plein champ

Holographie numérique

Transparency

Cornea

Objective

Quantitative

Full field OCT

Digital holography

Résumé

La perte de transparence cornéenne est une cause majeure de cécité au plan mondial. À elle seule, la cécité cornéenne affecte plus de 10 millions de personnes. Un diagnostic précoce et un suivi quantitatif pourrait améliorer le rendement clinique et ainsi combattre la cécité. Il y a donc un besoin critique pour des outils cliniques fiables et faciles à utiliser pour la caractérisation objective et quantitative de la transparence cornéenne.En collaboration avec Rémi Carminati (Institut Langevin, ESPCI, CNRS), nous avons développé un modèle de diffusion de la lumière dans la cornée qui comprend peu de paramètres et rend compte des différents phénomènes de diffusion au sein de la cornée. Nous avons également analysé la nanostructuration des fibrilles de collagène (principaux constituants du stroma cornéen, dont l'organisation est nécessaire à la transparence) à partir d'images de microscopie électronique en transmission, en modélisant le potentiel d'interaction entre les fibrilles avec un modèle simple à un seul paramètre.En complément de cette analyse théorique nous avons étudié expérimentalement la lumière diffusée en transmission par un système de microscopie holographique numérique (DHM) et en réflexion à l'aide d'un système de tomographie en cohérence optique plein champ (FF-OCT). La géométrie en transmission nous permet d’observer directement les effets de la diffusion sur la rétine et donc sur l’acuité visuelle des patients. La géométrie en réflexion est celle utilisée en clinique et donc celle à partir de laquelle on doit déterminer les propriétés de diffusion de la cornée. Pour l'analyse du signal OCT, nous avons mis au point, en collaboration avec Pascal Pernot (Université Paris Sud, CNRS), une analyse bayésienne qui permet d'extraire le libre parcours moyen de diffusion et ses éventuelles fluctuations en profondeur. Nous avons d'abord utilisé cette analyse sur des images d’OCT plein champ obtenues ex vivo à partir de cornées saines provenant de la banque des tissus, et des cornées pathologiques prélevées après une opération de greffe de cornée. Nous avons ainsi montré que cette analyse permet de mesurer le libre parcours moyen de diffusion avec une grande précision et également de déterminer si une cornée présente des hétérogénéités. Enfin nous avons montré la faisabilité de cette analyse in vivo en l'appliquant à des images d'OCT clinique et de lampe à fente, et nous avons obtenu une très bonne reproductibilité de nos mesures ainsi qu'une corrélation entre les mesures effectuées par les deux méthodes d'imagerie.

Lack of corneal transparency is a major cause of blindness worldwide, affecting over 10 million people. Early diagnosis and quantitative follow-up could improve clinical outcome and hence prevent blindness. There is thus a critical need for reliable and easy-to-use clinical tools for objective and quantitative characterisation, including monitoring ability, of corneal transparency.In collaboration with Rémi Carminati (Institut Langevin, ESPCI, CNRS), we have developped a physical model of light scattering in the cornea, including as few parameters as possible, able to describe scattering properties of the cornea. We have also analysed the nanostructure of the collagen fibrills (main components of the corneal stroma, whose organisation is mandatory for transparency) from transmission electron microscopy images, modeling the interaction potential between fibrils with only one parameter.In addition to this theoretical analysis we have studied scattered light in transmission using digital holographic microscopy (DHM) and in reflection using full filed optical coherent tomography (FF-OCT). Transmission geometry enables us to observe the effects of light scattering on the retina and therefore to the visual acuity. Reflection geometry is the one used in clinical practice and therefore the one from which the scattering properties of the cornea have to be determined. For the analysis of the OCT signal, we have developed, in collaboration with Pascal Pernot (University of Paris Sud, CNRS), a Bayesian analysis that allows us to extract the scattering mean free path and its possible fluctuations in depth. We first used this analysis on ex vivo FF-OCT images of healthy corneas from the eye-bank, and pathological corneas collected after corneal transplant surgery. We have thus shown that this analysis makes it possible to measure the scattering mean free path with great precision and also to determine if a cornea presents heterogeneities. Finally, we have demonstrated the feasibility of this in vivo analysis by applying it to clinical OCT and slit lamp images, and we have obtained very good reproducibility of our measurements as well as a correlation between the measurements made by the two imaging methods.