Spectroscopie optique tissulaire pour la caractérisation photobiologique de l'enveloppe cutanée à destination d'un usage clinique.

Tissue optical spectroscopy for skin's photobiological characterization in a clinical settings

• Auteur / Autrice : Gregoire Khairallah
• Direction : Frédéric Marchal, Marine Amouroux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Vie et de la Santé - BioSE
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CRAN - Centre de Recherche en Automatique de Nancy
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : BioSIS : Biologie, Signaux et Systèmes en Cancérologie et Neurosciences
• Jury : Président / Présidente : Anne-Claire Bursztejn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Marchal, Anabela Da silva, Jean-Luc Perrot, Jean-Marc Dinten, Marine Amouroux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anabela Da silva, Jean-Luc Perrot

Mots clés

Mots clés libres

Carcinome cutané

Classification automatisée

Aide au diagnostic

Spectroscopie optique

Optical spectroscopy

Assisted diagnosis

Automated classification

Cutaneous cancer

Résumé

Les carcinomes cutanés non mélanocytaires constituent un enjeu épidémiologique et économique majeur pourtant mal connu du grand public. Il est plus fréquent de voir l’attention focalisée sur les mélanomes, dont le pronostic est souvent dramatique mais qui sont heureusement moins fréquents. Du fait de leur polymorphisme, et de leur fréquence même (cancer le plus fréquent parmi les populations à peau claire), le diagnostic exhaustif de ces lésions et leur surveillance induisent un risque de faux négatifs à l’examen clinique et un retard diagnostic, source de séquelles fonctionnelles et esthétiques. Les erreurs diagnostiques sur les marges de résection sont source d’erreur et de reprises chirurgicales. Les outils diagnostiques dont nous pourrions disposer en clinique dans le contexte des salles d’intervention supposent un investissement conséquent et un apprentissage de l’opérateur, rédhibitoires dans le contexte médical actuel. Pour la prise en charge de ces lésions qui tendent à être de plus en plus fréquentes, il est nécessaire de mettre au point un outil d’aide au diagnostic d’un coût moindre, automatisable, permettant une analyse rapide point par point des lésions et de leurs marges. La spectroscopie optique peut répondre à cet ensemble de besoins : le dispositif SpectroLive, développé au CRAN et qualifié pour les études cliniques, implémente une modalité de spectroscopie optique bimodale (combinant autofluorescence et réflectance diffuse) résolue spectralement et spatialement. Le but de cette thèse était d’étudier le dispositif médical SpectroLive sur le plan métrologique d’une part, pour en déterminer ses caractéristiques métrologiques, et sur le plan clinique d’autre part, pour en déterminer sa pertinence médicale. Nos caractérisations métrologiques ont montré que la spectroscopie optique telle qu’implémentée dans le dispositif SpectroLive peut détecter la fluorescence jusqu’à un profondeur cutanée d’environ 350 µm et jusqu’à une distance latérale (considérée en surface) d’environ 2,8 mm. Le développement carcinomateux se faisant dans l’épiderme (d’épaisseur moyenne 60 µm) et sur une surface variant fortement d’un patient à l’autre (zones le plus souvent circulaires de rayon variant entre quelques millimètres et quelques centimètres), on peut conclure de cette étude que SpectroLive permet de sonder tout ou partie d’un carcinome cutané, voire d’une marge de sécurité chirurgicale. La pertinence clinique du dispositif SpectroLive a été évaluée dans le cadre d’une étude évaluant le « statut redox optique » comme critère de discrimination entre 3 classes histologiques : les kératoses actiniques sont distinguées des carcinomes épidermoïdes dans 83 % des cas (sensibilité diagnostique) et de la peau saine dans 58 % des cas. Ces résultats restent à améliorer grâce aux méthodes d’intelligence artificielle (i.e. classification automatisée - sans connaissance a priori des spectres - par méthodes de machine learning). Enfin une étude ancillaire à l’étude de la spectroscopie optique a été menée pour développer une classification biologique de référence des kératoses actiniques afin de distinguer a priori celles présentant un potentiel évolutif vers un carcinome cutané de celles présentant un potentiel de régression. Les résultats de l’étude transcriptomique menée montrent des variabilités biologiques statistiquement significatives permettant de distinguer deux classes de kératoses actiniques. Un essai clinique complémentaire devra être mené pour évaluer cette hypothèse grâce à un suivi longitudinal des patients porteurs de kératoses actiniques.

Non-melanocytic skin carcinomas are a major epidemiological and economic issue, yet poorly understood by the general public. It is more common to see attention focused on melanomas, whose prognosis is often dramatic but which are fortunately less frequent. Due to their polymorphism, and their very frequency (the most frequent cancer among fair-skinned populations), the exhaustive diagnosis of these lesions and their monitoring induce a risk of false negatives in the clinical examination and a diagnostic delay, source functional and aesthetic sequelae. Diagnostic errors on the resection margins are a source of error and surgical revisions. The diagnostic tools that we could have in the clinic in the context of the intervention rooms suppose a substantial investment and an apprenticeship of the operator, prohibitive in the current medical context. For the management of these lesions, which tend to be more and more frequent, it is necessary to develop a diagnostic aid tool at a lower cost, which can be automated, allowing rapid point-by-point analysis of the lesions and of their margins. Optical spectroscopy can meet this set of needs: the SpectroLive device, developed at CRAN and qualified for clinical studies, implements a bimodal optical spectroscopy modality (combining autofluorescence and diffuse reflectance) spectrally and spatially resolved. The aim of this thesis was to study the medical device SpectroLive on the metrological level on the one hand, to determine its metrological characteristics, and on the clinical level on the other hand, to determine its medical relevance. Our metrological characterizations have shown that optical spectroscopy as implemented in the SpectroLive device can detect fluorescence up to a skin depth of approximately 350 µm and up to a lateral distance (considered at the surface) of approximately 2.8 mm. Since carcinomatous development takes place in the epidermis (average thickness 60 µm) and on a surface that varies greatly from one patient to another (most often circular areas with a radius varying between a few millimeters and a few centimeters), we can conclude from this study that SpectroLive can probe all or part of a skin carcinoma, or even a surgical safety margin. The clinical relevance of the SpectroLive device was assessed in a study evaluating ''optical redox status'' as a criterion for discrimination between 3 histological classes: actinic keratoses are distinguished from squamous cell carcinomas in 83% of cases (diagnostic sensitivity) and healthy skin in 58% of cases. These results still need to be improved using artificial intelligence methods (i.e. automated classification - without a priori knowledge of the spectra - using machine learning methods). Finally, an ancillary study to the study of optical spectroscopy was carried out to develop a reference biological classification of actinic keratoses in order to distinguish a priori those presenting a potential evolution towards a cutaneous carcinoma from those presenting a potential for regression. The results of the transcriptomic study carried out show statistically significant biological variabilities making it possible to distinguish two classes of actinic keratoses. An additional clinical trial should be conducted to assess this hypothesis through longitudinal follow-up of patients with actinic keratosis.