Studies of scattering and anisotropic media with Mueller polarimetry : towards digital histology and optical biopsy of tissue

par Hee ryung Lee

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Tatiana Novikova et de Enric Garcia-Caurel.

Le président du jury était François Goudail.

Le jury était composé de Tatiana Novikova, Enric Garcia-Caurel, Walter Blondel, Anabela Da Silva, Elise Koeniguer.

Les rapporteurs étaient Walter Blondel, Anabela Da Silva.

  • Titre traduit

    Etudes des milieux diffusants et anisotropes par la polarimétrie de Mueller : vers l’histologie numérique et la biopsie optique des tissus


  • Résumé

    L’imagerie polarimétrique de Mueller est une technique optique émergente pour la diagnostique non invasive des tissus. Cette technique optique explore la très haute sensibilité de la lumière polarisée sur la microstructure d’un échantillon et fournit des informations les plus complètes sur les propriétés polarimétriques de cet échantillon.Premièrement, le potentiel du microscope Mueller à transmission fonctionnant dans la gamme du spectre visible pour l’analyse histologique automatisé a été étudié sur des coupes non colorées d’équivalents de peaux humaines. La décomposition logarithmique des matrices de Mueller expérimentales a été combinée à l’algorithme statistique du clustering basé sur la densité des points dans l’espace paramétrique pour les applications avec bruit (DBSCAN) pour la segmentation diagnostique des images microscopiques des modèles de peau humaine. La validité du formalisme de Mueller différentiel pour les milieux dépolarisants homogènes fluctuants a été confirmée expérimentalement pour les tissus biologiques. Une nouvelle méthode est suggérée pour modérer l’impact de la variation d’épaisseur qui pourrait affecter la précision des diagnostique polarimétrique des coupes histoligiques. Une nouvelle version de l’algorithme DBSCAN a été développée pour réduire les temps de calculs et ainsi permettre d’analyserles ensembles de données de grande taille. Dans ces ensembles de données, les valeurs aberrantes (ou bruit) ont été filtrées efficacement, le contraste entre les zones dermiques et épidermiques de peau humaine a été considérablement augmenté. En utilisant la méthode Monte Carlo polarisée pour modéliser les matrices de Mueller expérimentales pour les coupes minces de modèles de peaux humaine, nous avons confirmé que le dichroïsme linéaire et l'anisotropie de la dépolarisation détectés dans la zone dermique sont dus à la présence de fibres de collagène bien alignées.Les études ex-vivo de la preuve de principe de la sensibilité de la lumière polarisée rétrodiffusée à une structure hautement ordonnée de substance blanche cérébrale saine sont présentées dans la deuxième partie. Des coupes épaisses de cerveau humain fixées au formol, et de la cervelle de veau fraiche ont été imagées en mode réflexion avec un polarimètre de Mueller à grand champ, opérant dans la gamme de longueurs d’onde visibles.Il est connu que les tumeurs cérébrales rompent la structure hautement ordonnée de la substance blanche du cerveau, car les cellules tumorales se développent de manière chaotique. Cependant, cette différence de complexité structurelle est difficilement détectable, même avec un microscope opératoire, pendant la neurochirurgie en raison du faible contraste visuel entre la tumeur et le tissu cérébral sain. Nous avons étudié la capacité de l’imagerie polarimétrique de Mueller à grand champ à visualiser les faisceaux de fibres de la substance blanche cérébrale saine en détectant l'anisotropie de son indice de réfraction (c'est-à-dire la biréfringence de la substance blanche du cerveau qui sera effacée par la tumeur). Les matrices de Mueller expérimentales d’échantillons de cerveau ont été traitées à l’aide de l’algorithme de décomposition Lu-Chipman. Les cartes des azimuts de l’axe optique du milieu biréfringent uniaxial corrèlent incontestablement avec les images microscopiques des coupes histologiques des tissus cérébraux colorées à l’argent, qu’est la technique de référence pour la visualisation ex-vivo des faisceaux de fibres de substance blanche du cerveau.Ces résultats montrent le potentiel de l’imagerie polarimétrique de Mueller à grand champ pour fournir des informations sur l'orientation spatiale relative des faisceaux de fibres cérébrales, ce qui aiderait à détecter la frontière exacte entre la tumeur et le tissu cérébral saine, et guiderait le neurochirurgien lors de la résection de la tumeur et améliorerait les résultats pour des patients.


  • Résumé

    Imaging Mueller polarimetry represents an emerging optical technique for a non-invasive diagnostics of tissue. This optical modality explores the extreme sensitivity of polarized light to the microstructure of a sample under study and provides the most complete information on sample polarimetric properties.First, the potential of the transmission Mueller microscope operating in the visible wavelength range for digital histology analysis was studied on the unstained histological sections of human skin equivalents. Logarithmic decomposition of the experimental Mueller matrices was combined with the statistical density-based clustering algorithm for the applications with noise (DBSCAN) for diagnostic segmentation of the microscope images of human skin models. The validity of the differential Mueller matrix formalism for fluctuating homogenous depolarizing media was confirmed experimentally for biological tissue. An original method was suggested to mitigate the impact of thickness variation that could affect the accuracy of polarimetric diagnostics of thin tissue sections. A new version of the DBSCAN algorithm was developed to reduce the calculation time and, thus, to allow clustering of large size datasets. When dataset outliers (noise) were effectively filtered out, the contrast between the dermal and epidermal zones of human skin equivalents was significantly increased. Polarized Monte Carlo modeling of the experimental Mueller matrices of thin sections of human skin equivalents confirmed that both linear dichroism and anisotropy of depolarization detected within the dermal zone are due to the presence of well-aligned collagen fibers.The ex-vivo proof-of-principle studies of the sensitivity of backscattered polarized light to the highly ordered structure of healthy brain white matter are presented in the second part. The thick sections of the formalin-fixed human brain and fresh calf brain were imaged in reflection configuration using wide-field imaging Mueller polarimeter operating in the visible wavelength range. It is known that brain tumors break the highly ordered structure of brain white matter because tumor cells grow in a chaotic way. However, this difference in structural complexity is hardly detectable with a state-of-the-art operative microscope during neurosurgery because of low visual contrast between tumor and healthy brain tissue. We studied the capability of the wide-field imaging Mueller polarimetry to visualize the fiber tracts of healthy brain white matter by detecting the anisotropy of its refractive index (i.e. birefringence of brain white matter that will be erased by tumor). The experimental Mueller matrices of brain specimens were processed using the algorithm of Lu-Chipman polar decomposition. The maps of the azimuth of the optical axis of uniaxial linear birefringent medium demonstrated the compelling correlation with the microscopy images of silver-stained histological sections of brain tissue that is a gold standard technique for the visualization of brain white matter fiber tracts ex-vivo. These results show the potential of wide-field imaging Mueller polarimetry to provide information on the relative spatial orientation of brain fiber tracts, which can help to detect the exact border between the tumor and surrounding brain tissue, guide neurosurgeon during tumor resection and improve patient outcomes.


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