Modélisation et estimations des propriétés optiques de la peau humaine à l'aide de spectroscopie d'autofluorescence et reflectance diffuse résolues spatialement

Modeling and estimation of human skin optical properties using spatially resolved autofluorescence and diffuse reflectance spectroscopy

• Auteur / Autrice : Victor Colas
• Direction : Walter Blondel, Christian Daul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Christian Heinrich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Walter Blondel, Christian Daul, Janis Spigulis, Anne Humeau, Dick Sterenborg, Marine Amouroux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Heinrich, Janis Spigulis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biophotonique

Propriétés optiques

Peau

Imagerie en autofluorescence

Spectroscopie de réflectance

Peau -- Cancer

Imagerie spectroscopique

Tissus (histologie)

Mots clés libres

Spectroscopie tissulaire

Carcinome cutané

Reflectance diffuse

Autofluorescence

Modélisation

Biophotonique

Skin spectroscopy

Cutaneous carcinoma

Diffuse reflectance

Autofluorescence

Modelling

Biophotonics

Résumé

Dans le contexte du carcinome cutané, la biopsie optique offre une alternative in-vivo non destructive à la biopsie conventionnelle pour informer le praticien dermatologue de l'état de santé du tissu en profondeur lors de la résection du cancer. Ce dernier est en effet à l'origine de modifications morphologiques et physiologiques de la peau, ce qui explique que les mesures optiques resultantes des interactions lumière/tissus y soient sensibles. Les travaux présentés dans ce manuscrit exploitent les données obtenues l'aide du dispositif de biopsie optique SpectroLive sur une centaine de patients juste avant la résection du cancer par le clinicien. Au contact de la peau, ce dispositif spectroscopique acquiert des signaux de réflectance diffuse (excitation large bande blanche) et d'autofluorescence (émission monochromatique pour exciter les fluorophores endogènes de la peau) résolus spatialement, i.e., pour plusieurs distances de séparation entre la fibre émettrice de lumière est les fibres collectrices en périphérie. Cette résolution spatiale est particulièrement d'intérêt pour la peau, puisque les différentes distances introduites permettent de collecter des photons parcourant les différentes couches en profondeur (épiderme, derme et hypoderme) de l'organe. L'essentiel des travaux présentés ici concerne l'estimation des propriétés optiques de la peau grâce à la résolution du problème inverse à partir de ces acquisitions cliniques. Cela consiste d'abord à établir une simulation de transport de photons fidèle aux caractéristiques (géométriques et spectrales) du dispositif réel avant de construire un modèle multicouche de la peau dans lequel les paramètres optiques (e.g. coefficients d'absorption et de diffusion, le facteur d'anisotropie) et géométriques (e.g. épaisseur des couches) peuvent être estimées par un processus d'optimisation visant à minimiser les différences entre les spectres générés par la simulation et les spectres ''cibles'' obtenus en clinique. Dans ce but, les contributions principales développées dans ce manuscrit sont d'abord le développement et l'exploitation totale de la simulation, avec notamment une étude visant à caractériser la pénétration des photons détectés aux différentes séparation source/détecteur, et ceci pour différents modèles de peau afin de représenter les différences inter- et intra-individu. Les connaissances acquises avec cette étude de profondeurs sondées sont ensuite utilisées dans la seconde contribution majeure, visant à adapter le processus d'estimations des propriétés optiques à partir des spectres cliniques (problème inverse) à la peau. Enfin, la dernière contribution, plus métrologique, est l'élaboration d'un banc optique à double sphères intégrantes permettant d'obtenir ces mêmes propriétés optiques pour un échantillon ex-vivo, et ainsi permettre la comparaison des estimations issues des deux modalités.

In the context of cutaneous carcinoma, optical biopsy offers a in-vivo non-destructive alternative to conventional biopsy to inform the dermatologist of the state of health of the deep tissue during cancer resection. The latter is indeed at the origin of morphological and physiological modifications of the skin, which explains why the optical measurements resulting from the light/tissue interactions are sensitive to it. The work presented in this manuscript exploits the data obtained with the optical biopsy device extit{SpectroLive} on about a hundred patients just before cancer resection by the clinician. In contact with the skin, this spectroscopic device acquires diffuse reflectance (white broadband excitation) and autofluorescence (monochromatic emission to excite endogenous fluorophores in the skin) spatially resolved signals, extit{i.e.}, for several separation distances between the light emitting fiber and the collecting fibers at the periphery. This spatial resolution is of particular interest for the skin, since the different distances introduced allow the collection of photons traveling through the different layers in depth (epidermis, dermis and hypodermis) of the organ. The main part of the work presented here concerns the estimation of the optical properties of the skin by solving the inverse problem from these clinical acquisitions. This consists first in establishing a photon transport simulation faithful to the characteristics (geometrical and spectral) of the real device before building a multilayer model of the skin in which the optical parameters (e.g. absorption and scattering coefficients, the anisotropy factor) and geometrical parameters e.g. layer thickness) can be estimated by an optimization process aiming at minimizing the differences between the spectra generated by the simulation and the ``target'' spectra obtained in clinic. The main contributions developed in this manuscript are first the development and the full exploitation of the simulation, with in particular a study whose purpose is to characterize the penetration of the photons detected at the various source/detector separations, and this for various skin models in order to represent the inter- and intra-individual differences. The knowledge acquired with this study of probed depths is then used in the second major contribution, aiming at adapting the process of estimating optical properties from clinical spectra (inverse problem) to the skin. Finally, the last contribution, more metrological, is the development of an optical bench with double integrating spheres allowing to obtain these same optical properties for a sample ex-vivo, and thus to allow the comparison of the estimates resulting from the two modalities.