Intégration et étude d'un système endomicroscopique basé sur MOEMS pour la détection précoce des cancers gastro-intestinaux par SS-OCT

Integration and study of a MOEMS-based endomicroscopic system for early detection of gastrointestinal cancers by SS-OCT

• Auteur / Autrice : Fernando Eleazar Garcia Ramirez
• Direction : Philippe Lutz, Sylwester Bargiel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 21/06/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Chollet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michalina Gora
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Zamkotsian, Maciej Wojtkowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optomécanique

Systèmes microélectromécaniques

Microscopie confocale

Tomographie en cohérence optique

Mots clés libres

Tomographie en Cohérence Optique

Microsystèmes opto-Électro-Mécaniques

Endo microscopie

Ss-Oct

Moems

Endomicroscopy

Optical coherence tomography

Micro opto electro mechanical systems

Résumé

En 2018, les cancers gastro-intestinaux (GI) représentaient 26,3 % de tous les cancers dans le monde. De nombreuses modalités d'imagerie sont utilisées pour la détection et le diagnostic des cancers gastro-intestinaux, mais certaines sont invasives, lentes, coûteuses ou ne fournissent pas une résolution et une profondeur de pénétration suffisantes pour une détection précoce. Une technique d'imagerie prometteuse pour la détection des cancers gastro-intestinaux aux premiers stades est la tomographie par cohérence optique (OCT), en raison de son caractère non invasif, de sa haute résolution axiale et de sa capacité à produire des images en coupe transversale. En outre, l'OCT est compatible avec les bras endoscopiques robotisés mais nécessite l'insertion de sondes miniaturisées dans l'endoscope. Les systèmes micro-opto-électro-mécaniques (MOEMS) permettent de répondre à ce besoin, et offre la possibilité de fabrication en série des composants clés de la sonde. Un micro scanner électrothermique à 2 axes et un micro-interféromètre de Mirau on été développé a l'Institut FEMTO-ST pour des applications endoscopiques.Les principaux objectifs de cette thèse sont de fabriquer la sonde OCT endoscopique miniature par l'intégration de tous les composants MOEMS, de caractériser ses performances de balayage, de développer le système expérimental OCT pour l'acquisition des signaux OCT et le contrôle du scanner pour effectuer un balayage de Lissajous et la production d'images 2D et 3D.Dans un premier temps, la capacité du micro-interféromètre Mirau à produire des images OCT a été testée. Il a été connecté à une source balayée avec une longueur d'onde centrale de 840 nm, une bande passante de 60 nm et une fréquence de balayage de 110 kHz. Ensuite, un échantillon constitué de deux couches de photorésist a été balayé latéralement avec le micro-interféromètre en déplaçant l'échantillon avec une platine motorisée. Les signaux d’interférence ont ensuite été traités pour produire une image correspondant à la vue en coupe de l'échantillon avec des résolutions axiale et latérale calculées de 5,18 µm et 9,73 µm, respectivement, où les couches de résine photosensible pouvaient être observées.Des dispositifs supplémentaires ont été couplés dans la première génération du système SS-OCT, à savoir un détecteur à double balance pour supprimer le bruit causé par les fluctuations d'intensité de la source balayée et un atténuateur optique variable pour diminuer la composante continue des signaux d'interférence. Avec cette nouvelle version du système SS-OCT, une carte avec une surface lisse réfléchissante et une surface rugueuse diffusante a été scannée en déplaçant l'échantillon avec la platine motorisée. Dans ce cas, des images OCT avec les balayages avant et arrière de la source ont été obtenues. Une diminution du rapport signal/bruit de 4,4 dB a été constatée dans les images produites avec les balayages arrière par rapport à celles produites avec les balayages avant.Comme nous avions montré la capacité du micro-interféromètre à produire des images OCT, il a été intégré au micro-scanner électrothermique. Après, la sonde OCT intégrée a été connectée au système SS-OCT avec les composants correspondants pour piloter le micro scanner et le caractériser. La fréquence de résonance mesurée du micro scanner était de 943 Hz et 945 Hz pour l'axe x et l'axe y respectivement.Ensuite, un motif de balayage de Lissajous à 33 fps et un champ de vision de 169,7 x 136,5 m² ont été obtenus avec le micro-scanner en utilisant des signaux sinusoïdaux avec une tension continue de 2 V, des amplitudes Vx = 90 mV et Vy = 106 mV et des fréquences fx = 957 Hz et fy =924 Hz. Au final, des images OCT 3D ont été produites avec la sonde entièrement intégrée. Un échantillon composé de 3 couches de verre a été scanné avec le modèle de balayage de Lissajous et un image 3D correspondante a été reconstruite où les 3 couches de verre sont clairement visibles.

In 2018, gastrointestinal (GI) cancers represented the 26.3 % of all the cases worldwide. Many imaging modalities are used for detection and diagnosis of GI cancers, but some are invasive, slow, expensive or they do not provide enough resolution and penetration depth for early detection. A promising imaging technique for GI cancers detection at initial stages is Optical Coherence Tomography (OCT) due to its non-invasiveness, high axial resolution and capacity to produce cross-sectional images. Furthermore, OCT is compatible with robotic endoscopic arms but requires the insertion of miniaturized probes through the endoscope. This demand has been addressed through Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems (MOEMS) technology which enables batch fabrication of the key components of these probes. A 2-axis electrothermal micro scanner and a Mirau micro-interferometer were developed at the FEMTO-ST Institute for OCT endoscopic applicationsThe main objectives of this thesis are to fabricate the miniature endoscopic OCT probe by the integration of all the MOEMS components, to characterize its scanning performances and to develop the OCT experimental system for OCT signals acquisition, scanner control to perform Lissajous scanning and 2D and 3D image production.The capacity of the Mirau micro-interferometer to produce OCT images was tested as a first task. It was connected to a swept source with a central wavelength of 840 nm, a bandwidth of 60 nm and a sweeping rate of 110 kHz. Then, a sample made of two layers of photoresist was scanned laterally with the micro-interferometer by moving the sample with a motorized stage. The interfence signals were processed to produce an image corresponding to the cross-sectional view of the sample with calculated axial and lateral resolutions of 5.18 µm and 9.73 µm, respectively, where the layers of photoresist could be observed.Additional devices were coupled in the first generation of the SS-OCT system, namely, a dual balance detector, to suppress the noise caused by intensity fluctuations of the swept source, and a variable optical attenuator to decrease the DC component of the interference signals. With this new version of the SS-OCT system, a card with a reflective smooth and a diffusive rough surface (Thorlabs VRC2) was scanned by moving the sample with the motorized stage. In this case, OCT images with the forward and backward sweeps of the source were obtained. A decrease in SNR of 4.4 dB was found in the images produced with the backward sweeps with respect to those ones produced with the forward sweeps.After the micro interferometer showed its capacity to produce OCT images, it was integrated with the micro scanner. Then, the integrated OCT probe was connected to the SS-OCT system with the corresponding components to drive the micro scanner and characterize it. The measured resonance frequency of the micro scanner were 943 Hz and 945 Hz for the x-axis and y-axis respectively.Then, a Lissajous scanning pattern at 33 fps and a field of view of 169.7 x 136.5 µm² was achieved with the micro scanner using sinusoidal signals with a DC voltage of 2 V, amplitudes Vx = 90 mV and Vy = 106 mV and frequencies fx = 957 Hz and fy =924 Hz. Finally, 3D OCT images were produced with the fully integrated probe. A sample made of 3 layers of cover glass was scanned with this Lissajous scanning pattern and a 3D images was reconstructed where the 3 layers are clearly visible.