Imagerie haute résolution de la rétine humaine par illumination structurée assistée par optique adaptative

Adaptive optics-assisted high resolution imaging of the human retina using structured illumination

• Auteur / Autrice : Yann Lai-Tim
• Direction : Laurent Mugnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 19/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Rousset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Mugnier, Jérôme Idier, Anne Sentenac, Cathie Ventalon, Loïc Denis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Idier, Anne Sentenac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique adaptative

Statistique bayésienne

Imagerie en astronomie

Mots clés libres

Imagerie rétinienne

Microscopie par illumination structurée (SIM)

Problèmes inverses

Estimation bayésienne

Optique adaptative

Retinal imaging

Structured illumination microscopy (SIM)

Inverse problems

Bayesian estimation

Adaptive optics

Résumé

La détection précoce des pathologies rétiniennes chez l’Homme réclame des moyens d’imagerie in vivo non invasifs du tissu rétinien, à l’échelle de la cellule. Or, l’observation de la rétine depuis l’extérieur souffre de la mauvaise qualité optique de l’œil, des mouvements oculaires, de la diffusion de la lumière par les tissus, et du mauvais rapport signal-à-bruit dû aux contraintes de sécurité oculaire. L’optique adaptative (OA), qui compense en temps réel les aberrations optiques introduites par l’œil, permet d’augmenter la résolution spatiale des images in vivo. Néanmoins, le contraste des images rétiniennes in vivo corrigées par OA est dégradé par un fond diffus dominant et leur résolution ultime reste limitée par l’ouverture de la pupille de l’œil. L’imagerie par illumination structurée, une technique de super-résolution éprouvée en microscopie, permet de résoudre ces limitations et d’obtenir des images contrastées (par sectionnement optique) et super-résolues, c’est-à-dire avec une résolution meilleure que la limite de diffraction. Son application à l’imagerie rétinienne in vivo n’a cependant jamais été réalisée.L’enjeu de cette thèse est de concevoir, de mettre en œuvre et d’exploiter un ophtalmoscope par illumination structurée afin d’obtenir des images rétiniennes contrastées et super-résolues. J’ai d’abord développé une méthode bayésienne de reconstruction par illumination structurée prenant en compte les spécificités de l’imagerie rétinienne, à savoir les mouvements oculaires, le caractère tridimensionnel de la rétine et la diffusion induite par l’œil. Cette méthode, validée dans un premier temps sur des données de microscopie, a été caractérisée par simulations dans le but d’en optimiser les paramètres et de quantifier ses performances. Ensuite, pour valider expérimentalement la méthode proposée sur rétine in vivo, j’ai développé dans une approche de co-conception un ophtalmoscope plein champ assisté par OA capable de projeter de l’illumination structurée dans la rétine. Dans cette même approche, j’ai adapté la méthode de reconstruction et j’ai réalisé des images rétiniennes reconstruites par illumination structurée, ce qui constitue la première démonstration mondiale de l'imagerie rétinienne in vivo à haute résolution par illumination structurée. Les images ainsi obtenues présentent un gain notable en contraste et en résolution par rapport aux images plein champ conventionnelles.

Early detection of retinal pathologies in humans requires non-invasive in vivo imaging of retinal tissue at the cellular level. Yet, observation of the retina from the outside suffers from the poor optical quality of the eye, the ocular movements, light scattering by tissues, and low signal-to-noise ratio due to eye safety constraints. Adaptive optics (AO), which compensates in real time for optical aberrations introduced by the eye, makes it possible to increase the spatial resolution of in vivo images. Nevertheless, the contrast of in vivo retinal images corrected by AO is degraded by a dominant diffuse background and their ultimate resolution remains limited by the numerical aperture set by the eye pupil. Structured illumination microscopy (SIM), a well-proven super-resolution microscopy technique, resolves these limitations and allows us to obtain images that are contrasted (by optical sectioning) and super-resolved, i.e. with a resolution better than the diffraction limit. However, its application to in vivo retinal imaging has never been achieved.The goal of this thesis is to design, implement and operate an ophthalmoscope by structured illumination in order to obtain contrasted and super-resolved retinal images. First, I developed a Bayesian SIM reconstruction method taking into account the specificities of retinal imaging, namely eye movements, the three-dimensional nature of the retina and the diffusion induced by the eye. This method, initially validated on microscopy data, has been characterized on simulated data with the aim of optimizing its parameters and quantifying its performance. Then, in order to validate experimentally the proposed method on retina in vivo, I developed, in a co-design approach, an AO-assisted flood-illumination ophthalmoscope, which is able to project structured illumination patterns onto the retina. Following the same approach, I adapted the reconstruction method and produced SIM reconstructed images of the living retina, which represents the world’s first demonstration of in vivo high resolution structured illumination retinal imaging. The resulting images highlight a substantial contrast and resolution enhancement compared to conventional wide-field images.