Design and realization of a fiber based Mueller polarimetric endomicroscope for application in support of in vivo medical diagnosis
Conception et réalisation d’un endomicroscope polarimétrique de Mueller à fibre en vue d’une application à l’aide au diagnostic médical in vivo
Résumé
The structure of biological tissues on submicron scale can be efficiently caracterized by optical Mueller polarimetry, which gives this technique a great interest for an aid to early medical diagnosis of diverse pathologies affecting the extracellular matrix, such as some cancers. In order to extend the application field to the caracterization of internal organs, Mueller polarimetry can be developed through an optical fiber as an endoscope, thanks to a two wavelengths differential measurement method (called“bichromatic method”) developed at the Xlim institute. The work carried out in this thesis aims to design and realize a fiber based Mueller polarimetric endomicroscope, based on the bichromatic method, meeting the requirements of in vivo endoscopic imaging. In the first place, we develop an accelerated data acquisition procedure allowing to reduce from several hours to a few seconds the realization time of a Mueller image. Thereafter, we develop a microprobe located at the distal tip of the endoscopic fiber, with dimensions sufficiently small to be used in endoscopy (length : 30 mm, diameter : 3 mm), including a fast scanning system (microscanner) done by the mechanical resonance of the fiber tip. The miniaturized dichroic filter required to implement the bichromatic method is a fiber Bragg grating photowritten into the fiber core. The design, the fabrication, the spectral and polarimetric characterizations of this key component are the subject of an in-depth study. Finally, after the detailed description of the microprobe, we present and comment on the Mueller polarimetric images of a known waveplate and a biological sample (type I collagen) realized with the endomicroscope equiped with this microprobe (1 image/2s, 250 x 250pixels, field of view : 400μm, resolution : 4μm). These images confirm the validity of the realized instrument. At last, we propose and experiment a solution to determine spatial depolarization through the endoscopic fiber, based on the decomposition of the sum of Mueller matrices of neighbouring pixels.
La structuration de tissus biologiques à l’échelle submicronique peut être efficacement caractérisée par la polarimétrie optique de Mueller, ce qui confère à cette technique un grand intérêt pour l’aide au diagnostic précoce de diverses pathologies affectant la matrice extracellulaire, telles que certains cancers. En vue d’étendre son champ d’application à la caractérisation d’organes internes, la polarimétrie de Mueller peut être mise en œuvre à travers une fibre optique utilisée comme moyen de déport endoscopique,grâce à une méthode de mesure différentielle à deux longueurs d’onde (dite “méthode bichromatique”) mise au point précédemment à l’institut Xlim. Les travaux effectués dans cette thèse ont pour objectif de concevoir et de réaliser un endomicroscope polarimétrique de Mueller à fibre, fondé sur la méthode bichromatique,répondant aux exigences de l’imagerie endoscopique in vivo. En premier lieu, nous mettons au point une procédure accélérée d’acquisition des données permettant de réduire de plusieurs heures à quelques secondes le temps de réalisation d’une image de Mueller. Par la suite, nous développons une microsonde située à l’extrémité distale de la fibre endoscopique, de dimensions suffisamment petites pour être utilisée en endoscopie (longueur : 30 mm, diamètre : 3 mm), incluant un système de balayage rapide (microscanner) par mise en résonance mécanique de l’extrémité de la fibre. Le filtre dichroïque miniaturisé nécessaire pour mettre en œuvre la méthode bichromatique est un réseau de Bragg photoinscrit dans le cœur de la fibre. La conception, la fabrication et les caractérisations spectrale et polarimétrique de ce composant clé font l’objet d’une étude approfondie. Enfin, après la description détaillée de la microsonde, nous présentons et commentons les images polarimétriques de Mueller d’une lame de phase connue et d’un échantillon biologique (collagène de type I) réalisées avec l’endomicrocope équipé de cette microsonde (1 image/2s, 250x250 pixels, champ de 400μm, résolution : 4μm). Ces images attestent de la validité de l’instrument réalisé. Dans un dernier temps, nous proposons et expérimentons une solution pour déterminer la dépolarisation spatiale à travers la fibre endoscopique, basée sur la décomposition de la somme de matrices de Mueller de pixels voisins.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|