Diagnostic optique in vivo de la transparence cornéenne par tomographie par cohérence optique (OCT)

In vivo quantitative assessment of corneal transparency by means of OCT

• Auteur / Autrice : Maëlle Vilbert
• Direction : Karsten Plamann, Kristina Irsch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Laser et Plasma
• Date : Soutenance le 10/10/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karsten Plamann, Kristina Irsch, Alexandra Fragola, Serge Meimon, Kate Grieve
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandra Fragola, Serge Meimon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cornée -- Greffe

OCT-Angiographie

Imagerie médicale

Optique

Mots clés libres

Optique biomédicale

Oct

Transparence

Diffusion lumineuse

Cornée

Greffe

Biomedical optics

Oct

Transparency

Light scattering

Cornea

Keratoplasty

Résumé

Le handicap visuel par perte de la transparence cornéenne affecte plus de 10 millions de personnes dans le monde, dans un contexte de pénurie globale de greffons cornéens. La détection précoce des pathologies et un suivi quantitatif permettraient une meilleure prise en charge des patient·es. Or, les outils cliniques actuels pour le diagnostic de la transparence cornéenne sont limités à des évaluations subjectives ou non standardisées.L’objectif de cette thèse est le transfert à la pratique clinique d’une méthode de quantification de la transparence cornéenne par l’analyse d’images de tomographie par cohérence optique (OCT) acquises via des dispositifs ophtalmiques standards. Nous avons implémenté un algorithme convivial à destination des praticien·nes pour standardiser les images cornéennes, identifier et corriger les artefacts récurrents puis extraire le signal d’intérêt analysé en termes de paramètres physiques et statistiques.L’application de la méthode à un groupe de 83 cornées normales nous a permis de délimiter le périmètre d’utilisation des images cliniques à des fins d’analyse quantitative.La robustesse du prétraitement et l’excellente répétabilité des mesures nous ont permis d’établir une base de données normative des paramètres de transparence pour les cornées normales. La comparaison avec un groupe de cornées atteintes de dystrophie de Fuchs montre une séparation significative entre les cornées saines et les cornées pathologiques. L’évolution de nos paramètres après greffe endothéliale est cohérente avec celle des variables cliniques.Nous avons entraîné un modèle de classification automatique des images OCT cornéennes à partir de quantificateurs morphologiques d’une fibrose symptomatique de la dystrophie de Fuchs. Appliqué au diagnostic du haze cornéen post-chirurgie réfractive, le modèle est précis à 97%.Enfin, nous avons exploré le potentiel d’un dispositif OCT portable à bas coût pour l’imagerie in situ de greffons cornéens à travers leur flacon de conservation scellé, pour le suivi de l’œdème cornéen lors d’expérimentations sur cornées fraîches et pour la cartographie d’épaisseur non invasive d’objets patrimoniaux vernis.

Visual impairment due to loss of corneal transparency affects more than 10 million people worldwide, in a context of global shortage of corneal transplants. Early detection of pathologies and quantitative follow-up including standardized monitoring of treatment efficacy would allow better management of patients. However, current clinical tools for the evaluation of corneal transparency are limited to subjective or non-standardised assessments.The objective of this thesis is to transfer to clinical practice a method of quantifying corneal transparency by analysing optical coherence tomography (OCT) images acquired via standard ophthalmic devices.We implemented a user-friendly algorithm to standardise corneal images, identify and correct typical acquisition artefacts. The corneal signal of interest is extracted and analysed in terms of physical and statistical parameters.The application of the method to a group of 83 normal corneas allowed us to define the scope of use of clinical images for quantitative analysis. The robustness of the preprocessing algorithm and the excellent repeatability of the measurements has allowed us to establish a normative database of transparency parameters for normal corneas. Comparison with a group of corneas with Fuchs' dystrophy shows a significant difference between healthy and pathological corneas. The evolution of our parameters after endothelial transplantation is consistent with that of the clinical variables.We trained an automatic image classification model based on morphological quantifiers of the fibrosis symptomatic of Fuchs' dystrophy. Applied to the diagnosis of corneal haze after refractive surgery, the model is 97% accurate.Finally, we explored the potential of a low-cost portable OCT device for in situ imaging of corneal grafts through their sealed storage bottle, for monitoring corneal edema in fresh cornea experiments and for non-invasive thickness mapping of varnished cultural heritage artifacts.