Imagerie polarimétrique de speckle statique pour l’étude de matériaux, et dynamique pour la détection de micro-vascularisation tumorale - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Static speckle polarimetric imaging for material study, and dynamic for the detection of tumoral micro-vascularization

Imagerie polarimétrique de speckle statique pour l’étude de matériaux, et dynamique pour la détection de micro-vascularisation tumorale

Jan Dupont

Résumé

Lors de la diffusion d'une onde électromagnétique sur une surface de rugosité aléatoire, un champ de speckle, dont les caractéristiques dépendent de la surface considérée, se forme. L'étude de la polarisation en champs de speckle donne accès à de nouvelles variables pour la caractérisation statistique de propriétés de matériaux. Cependant, la mesure polarimétrique est délicate dans le cas d'échantillons de faible réflectance, ou aux lieux de faible intensité des champs de speckle. Par ailleurs, les propriétés dynamiques de l'échantillon peuvent être mesurées par une analyse de contraste du speckle qu'il diffuse. Ainsi, il est possible d'imager les variations temporelles de paramètres (par exemple de structure, pression ou composition) ayant lieux sous la surface d'un échantillon. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l'étude polarimétrique de speckle statique pour la caractérisation de matériaux, puis en dernière partie une étude de speckle dynamique pour la détection de la microvascularisation du mélanome. Afin de réaliser l'étude du speckle statique, une nouvelle méthode d'analyse polarimétrique est proposée, appelée SOPAFP (State Of Polarization Analysis by Full Projection on the Poincaré space). Cette méthode est basée sur la régression non linéaire du signal d'intensité détecté au cours de nombreuses projections polarimétriques du champ à analyser. L'intérêt de cette mesure est démontré pour la caractérisation polarimétrique en champs de speckle, notamment aux lieux de faible intensité. Les variations de polarisation des champs produits par différents régimes de diffusion sont caractérisées. Une étude est réalisée concernant les ”vortex optiques”, se formant aux lieux d'interférences destructives en champs de speckle, et dont la manifestation vectorielle est appelée singularité de polarisation. L'étude de ces singularités est d'intérêt pour des applications comme la compression d'information, les télécommunications, la métrologie ou la recherche instrumentale en astrophysique. L'influence de divers paramètres sur la mesure polarimétrique a été étudiée, notamment les phénomènes de dépolarisation des champs dus au mode d'observation. Une nouvelle méthode d'analyse basée sur l'étude statistique de la phase polarimétrique est proposée, permettant de dissocier les contributions expérimentales des contributions intrinsèques à l'échantillon pour la mesure de dépolarisation, notamment concernant les échantillons de faible réflectance. La réponse polarimétrique d'échantillons de référence (Spectralons), souvent utilisés pour la calibration d'instruments optiques, a été étudiée. Par comparaison avec les mesures expérimentales, un modèle de simulation de speckle subjectifs polarisés a été validé, pour différents régimes de diffusion, par l'introduction d'une décorrélation partielle entre les composantes orthogonales du champ électromagnétique. Le modèle a été utilisé pour étudier la dépolarisation spatiale. L'intensité dépolarisée par dépolarisation spatiale a été caractérisée en fonction des variations spatiales d'états de polarisation, et une limite de résolution pour la mesure de biréfringence, menant à une décorrélation des champs impliqués, est mise en évidence. Ensuite, par modélisation de singularités de polarisation, une nouvelle classification de vortex polarimétriques basée sur 6 morphologies élémentaires est proposée. Finalement, une méthode de mesure par contraste de speckle dynamique polarisé a été optimisée pour l'application à la détection de la microvascularisation du mélanome. L'angiogenèse tumorale ayant lieu lors de la croissance de mélanomes murins a été étudiée, ainsi que la régression de la microvascularisation après traitement des tumeurs par électrochimiothérapie. Le potentiel de la technique pour la détection de la microvascularisation du mélanome humain, sans contact ni marqueur, reste à être caractérisé pour une utilisation en imagerie biomédicale.
When an electromagnetic wave is scattered by a rough surface, a speckle field is formed, which characteristics are depending on the surface properties. Polarimetry of speckle fields leads to new variables for the characterization of material properties. However, polarimetric measurement is challenging in the case of low reflectance samples, or at the places of low intensity in speckle fields. Besides, dynamical properties of samples can be measured by an analysis of the speckle patterns which are produced. Thus, it allows to image the temporal variations of samples parameters (structure, pressure, composition, ...) below the sample surface. The framework of this thesis is about polarimetric imaging of static speckle for material characterizations, and dynamical speckle analysis for melanoma detection. In order to perform the static speckle study, a new polarimetric measurement method is proposed, called SOPAFP (State Of Polarization Analysis by Full Projection on the Poincaré space). This method is based on the non linear regression of the intensity recorded during multiples polarimetric projections of the field to be analysed. Its polarimetric accuracy is demonstrated for the characterization of speckle fields, especially at places of low intensity. The optical vortices are studied, which form at places destructive interferences in speckle fields, and and which the vectorial counterpart is named polarization singularity. Studying these singularities is of interest for many applications, as data compression, telecommunication, metrology or intrumental research in astrophisics. The impact of various parameters on polarimetric measurement is studied, as the depolarization effects due to fields imaging. A new analysis method based on statistics of the polarimetric phase is proposed, which allows to separate the experimental effects from the intrinsic part produced by the sample. The polarimetric characterization of standard samples (Spectralons) is performed. By comparison with experimental measurements, a simulation method is validated, for various scattering regimes. The model is used to study the spatial depolarization. The dependancy of the depolarized intensity is characterized in function of the polarization map, which gives informations on polarimetric states variations at a sub pixel scale. Then, a new classification of polarization singularities is proposed, based on 6 elementary morphologies. Finally, a method based on dynamical speckle contrast imaging is optimised for melanoma detection. The growing of microvascularization during murine melanoma developement is monitored, as well as its regression after a treatment by electrochemotherapy. The method potential for human melanoma detection has still to be characterized, for biomedical application.
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  • HAL Id : tel-01699295 , version 1

Citer

Jan Dupont. Imagerie polarimétrique de speckle statique pour l’étude de matériaux, et dynamique pour la détection de micro-vascularisation tumorale. Optique / photonique. UNIVERSITE DE TOULOUSE, 2017. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01699295⟩

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