Développement d’un endoscope rigide polarimétrique pour le diagnostic précoce in vivo du cancer

Development of rigid polarimetric endoscope for early detection of cancer in vivo

• Auteur / Autrice : Arvid Lindberg
• Direction : Angelo Pierangelo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/02/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : François Goudail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angelo Pierangelo, Xavier Orlik, Julien Fade, Dominique Pagnoux, David Fuks, Jean-Charles Vanel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Orlik, Julien Fade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cancer -- Diagnostic

Photonique

Optique

Imagerie médicale -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Imagerie optique pour applications biomédicales

Imagerie polarimétrique de Mueller

Endoscopie polarimétrique

Traitement des données

Diagnostic précoce du cancer

Optical imaging for biomedical applications ; .

Mueller polarimetric imaging

Polarimetric endoscopy

Signal processing

Early cancer detection and cancer staging

Résumé

Le diagnostic précoce d’une lésion cancéreuse et l’ablation chirurgicale complète des zones malades restent les deux points cruciaux pour améliorer considérablement les chances de guérison d’un patient. Cependant la détection d’un cancer dans la phase initiale de son développement reste une tache très difficile à accomplir car liée à une prise aléatoire de biopsies alors que les parties pathologiques, à ce stade de la maladie, demeurent difficilement identifiables aux techniques d’imagerie classiques (imagerie visible, ultrasons, résonance magnétique, scanner rayon X, tomographie par émission de positrons). En plus l’évaluation des marges d’exérèse chirurgicale reste une tache encore très difficiles à accomplir, voire impossibles, dans certains cas.L’imagerie polarimétrique est une technique très prometteuse pour la détection précoce des lésions cancéreuses sur la surface des organes et pour une meilleure définition des limites de résection pendant la chirurgie. Les activités de recherche biomédicale développées à l’intérieur de l’équipe « Optique Appliquée et Polarimétrie » du LPICM sont centrées sur le développement d’imageurs polarimétriques de Mueller pour l’amélioration de la prise en charge des cancers épithéliaux, également appelés carcinomes, qui représentent le 80 – 90% de tous les cancers. A ce sujet le LPICM est porteur d’un projet financé par l’Institut National du Cancer (INCa) sur l’utilisation de l’imagerie polarimétrique pour l’amélioration de la prise en charge du cancer du col utérin à différents stades de son évolution. Actuellement une campagne extensive de mesures sur les lésions précancéreuses présentes au niveau du col utérin est en cours dans trois hôpitaux parisiens (Institut Gustave Roussy, Kremlin Bicêtre, Institut Mutualiste Montsouris). Cette étude ex vivo qui utilise un polarimètre de type Mueller grand champ en réflexion, va conduire à établir la performance du diagnostic de l’imagerie polarimétrique de Mueller, en termes de sensibilité et spécificité, comparée à celle fournie par les pathologistes et considérée comme le « gold standard » pour le diagnostic du cancer. Cette phase représente un point de départ pour l’utilisation in vivo de cette technique, car elle va apporter une connaissance précise des effets systématiques pouvant dégrader ses performances. A l’intérieur du projet INCa l’extension de la mesure du col utérin in vivo est prévue, utilisant un colposcope classique modifié pour obtenir les images polarimétriques de Mueller.L’endoscope est un autre instrument utilisé aussi pour diagnostiquer des lésions cancéreuses ou précancéreuses dans les muqueuses internes (œsophage, colon, rectum…). Le sujet de thèse proposé consiste à développer un endoscope polarimétrique de Mueller rigide et à établir ses performances. Le travail du doctorant comportera une partie d’instrumentation en optique, d’acquisition de données, de traitement de signal et d’évaluation de la performance statistique de la méthode. Le sujet de cette thèse se situe donc à l’interface entre la physique et le diagnostic médical et montre un fort potentiel de développement industriel avec un impact social significatif.

Early diagnosis of a cancerous lesion and complete surgical resection of the diseased areas are both crucial points in order to greatly improve the chances for recovery of a patient. However, early detection of cancer is a very difficult task. It relies on random biopsies of suspicious areas which are not easy to identify at this stage of the disease using conventional imaging techniques (visible imaging, ultrasound, magnetic resonance, X-ray scanner, positron emission tomography). In addition, the correct evaluation of surgical resection margins remains often very difficult or even impossible in some cases.Polarimetric imaging is a promising technique for the early detection of cancerous lesions on the surface of the organs and for a better definition of the resection limits during surgery. Biomedical research activity, conducted within the 'Applied Optics and Polarimetry' team of the LPICM, focuses on the development of Mueller polarimetric imaging systems for improving the management of epithelial cancers, also known as carcinomas, which represent 80-90% of all cancers. In this regard the LPICM leads a project funded by the “Institut National du Cancer (INCa)”, on the use of Mueller polarimetric imaging for improving the management of cervical cancer at different stages of its evolution. At present an extensive series of ex vivo measurements is in progress in three different hospitals of Paris (Institut Gustave Roussy, Kremlin Bicêtre and Institut Mutualiste Montsouris). The final goal of this study is to evaluate the performance of Mueller polarimetric imaging technique in terms of sensitivity and specificity, while using an interpretation of corresponding histology slides by pathologists as a “golden standard” of cancer diagnostics. Ex vivo measurements provide a precise knowledge of the systematic effects which can negatively affect image quality. Hence, the results of this study represent a good starting point for in vivo applications of polarimetric imaging technique. Within the frame of INCa project the analysis of uterine cervix in vivo is planned, using a classical colposcope modified to obtain polarimetric Mueller images.The endoscope is another medical instrument used also to detect cancerous or precancerous lesions in the internal cavities of human body (esophagus, colon, rectum, etc.). The proposed thesis subject consists in developing a Mueller polarimetric rigid endoscope and evaluating its performance in terms of sensitivity and specificity. The work of PhD student will be concerned with instrumentation in optics, acquisition of data, signal processing and statistical evaluation of the performance of technique. Thus, the subject of this thesis is on the interface between physics and medical diagnostics and it shows a strong potential for industrial development with a significant societal impact.