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Spectroscopie bimodale en diffusion élastique et autofluorescence résolue spatialement : instrumentation, modélisation des interactions lumière-tissus et application à la caractérisation de tissus biologiques ex vivo et in vivo pour la détection de cancers, Bimodal spectroscopy in elastic scattering and autofluorescence spatially resolved : instrumentation, light-tissue interactions modeling and application to the characterization of biological tissues ex vivo and in vivo for the detection of cancer

De
250 pages
Sous la direction de François Guillemin, Walter Blondel
Thèse soutenue le 31 octobre 2007: INPL
AL’objectif de ce travail de recherche est le développement, la mise au point et la validation d’une méthode de spectroscopie multi-modalités en diffusion élastique et autofluorescence pour caractériser des tissus biologiques in vitro et in vivo. Ces travaux s’organisent en quatre axes. La première partie des travaux présente l’instrumentation : développement, réalisation et caractérisation expérimentale d’un système de spectrométrie bimodale multi-points fibrée permettant l’acquisition de spectres in vivo (distances variables, acquisition rapide). La deuxième partie porte sur la modélisation des propriétés optiques du tissu : développement et validation expérimentale sur fantômes d’un algorithme de simulation de propagation de photons en milieux turbides et multi-fluorescents. La troisième partie propose une étude expérimentale conduite ex vivo sur des anneaux artériels frais et cryoconservés. Elle confirme la complémentarité des mesures spectroscopiques en diffusion élastique et autofluorescence et valide la méthode de spectroscopie multi-modalités et l’algorithme de simulation de propagation de photons. Les résultats originaux obtenus montrent une corrélation entre propriétés rhéologiques et optiques. La quatrième partie développe une seconde étude expérimentale in vivo sur un modèle pré-clinique tumoral de vessie. Elle met en évidence une différence significative en réflectance diffuse et/ou en autofluorescence et/ou en fluorescence intrinsèque entre tissus sains, inflammatoires et tumoraux, sur la base de longueurs d’onde particulières. Les résultats de la classification non supervisée réalisée montrent que la combinaison de différentes approches spectroscopiques augmente la fiabilité du diagnostic.
-Biopsie optique
-Spectroscopie multi-modalités
-Autofluorescence
-Diffusion multiple
-Instrumentation
-Modélisation Monte-Carlo
-Diagnostic in vivo
-Cancer
This research activity aims at developing and validating a multimodal spectroscopy method in elastic scattering and autofluorescence to characterize biological tissues in vitro and in vivo. It is articulated in four axes. At first, instrumentation is considered with the development, the engineering and the experimental characterization of a fibers bimodal, multi-points spectrometry system allowing the acquisition of spectra in vivo (variable distances, fast acquisition). Secondly, the optical properties of tissues are modelled with the development and the experimental validation on phantoms of a photons propagation simulation algorithm in turbids media and multi-fluorescent. Thirdly, an experimental study has been conducted ex vivo on fresh and cryopreserved arterial rings. It confirms the complementarity of spectroscopic measurements in elastic scattering and autofluorescence, and validates the method of multi-modality spectroscopy and the simulation of photons propagation algorithm. Results have well proved a correlation between rheological and optical properties. Finally, one second experimental study in vivo related to a pre-clinical tumoral model of bladder has been carried out. It highlights a significant difference in diffuse reflectance and/or autofluorescence and/or intrinsic fluorescence between healthy, inflammatory and tumoral tissues, on the basis of specific wavelength. The results of not supervised classification show that the combination of various spectroscopic approaches increases the reliability of the diagnosis.
-Optical biopsy
-Multi-modal spectroscopy
-Autofluorescence
-Multiple diffusion
-Instrumentation
-Monte Carlo simulation
-In vivo diagnostic
-Cancer
Source: http://www.theses.fr/2007INPL079N/document
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AVERTISSEMENT



Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
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Code de la propriété intellectuelle. Articles L 122.4
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http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
´Ecole doctorale IAEM Lorraine
DFD Automatique et Production Automatis´ee
Institut National Polytechnique de Lorraine
Spectroscopie bimodale en diffusion ´elastique
et autofluorescence r´esolue spatialement :
instrumentation, mod´elisation des interactions lumi`ere-tissus
et application `a la caract´erisation de tissus biologiques
ex vivo et in vivo pour la d´etection de cancers
`THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 31 octobre 2007
pour l’obtention du
Doctorat de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Sp´ecialit´e Automatique et Traitement du Signal
par
´Emilie PERY
Composition du jury
Pr´esident : Hugues Garnier CRAN, Nancy
Rapporteurs : Anne Humeau Groupe ESAIP, LISA, Angers
Herv´e Saint-Jalmes PRISM Villejean, Rennes
Examinateurs : Irving Bigio Biomedical Optics Laboratory, Boston, USA
Walter C.P.M. Blondel CRAN, Nancy
´Genevi`eve Bourg-Heckly BioMoCeTi, Evry
Franc¸ois Guillemin Centre Alexis Vautrin-CRAN, Nancy
Centre de Recherche en Automatique de Nancy CNRS – UMR 7039
Nancy Universit´eMis en page avec la classe thloria.Remerciements
Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été effectués au Centre de Re-
cherche en Automatique de Nancy (CRAN), Unité Mixte de Recherche Nancy-Université,
CNRS(UMR7039), dans le groupe thématique Ingénierie Pour la Santé (IPS), groupe dirigé par
Monsieur le Professeur Didier WOLF.
J’exprime mes profonds remerciements à mes deux directeurs de thèse :
Monsieur le Professeur François GUILLEMIN,
Honorée qu’il ait accepté ce travail, je lui fais part de ma gratitude et veux lui dire mon admi-
ration pour sa vision synthétique des problématiques, sa projection futuriste, ce qui m’a permis
de mener à bien ces travaux. Qu’il soit remercié pour sa disponibilité et la confiance qu’il m’a
accordée et qu’il trouve ici les marques de mon profond respect.
Monsieur le Docteur Walter BLONDEL,
Très reconnaissante pour sa disponibilité, sa rigueur, ses précieux conseils, son assistance, sa
patience, je le remercie pour la confiance qu’il m’a accordée pendant toute la réalisation de ma
thèse et pour nos nombreux échanges scientifiques. Je tiens à saluer son audace scientifique, qui
l’oriente vers des collaborations multidisciplinaires, nous permettant ainsi d’élargir le champ de
nos compétences et de nous aventurer sur des terrains scientifiques nouveaux. Grand merci pour
tout!
Mes remerciements très chaleureux vont aussi à de nombreuses personnalités :
à Monsieur le Professeur Alain RICHARD, directeur du CRAN qui m’a permis de réaliser
cette thèse, et à Monsieur le Professeur Francis LEPAGE, responsable de l’École Doctorale
IAEM Lorraine, pour son engagement dans la formation doctorale.
aux membres du jury qui m’ont fait l’honneur de participer à l’examen de ces travaux :
– Monsieur le Professeur Hugues GARNIER,
Qu’il soit assuré de toute ma gratitude et mon profond respect pour l’attention qu’il a
portée à mon travail en acceptant de présider ce jury de thèse.
– Madame le Docteur Anne HUMEAU etMonsieur le Professeur Hervé SAINT-
JALMES,
Ce fut un honneur pour moi qu’ils aient accepté d’évaluer mes travaux en tant que rap-
porteurs. Je les prie de croire ici en ma haute considération.
i– Monsieur le Professeur Irving BIGIO,
It was my privilege he accepted to be a member of my PhD committee and to assess my
work.
– Madame le Docteur Geneviève BOURG-HECKLY,
Je lui suis profondément reconnaissante d’avoir accepté d’évaluer mon travail, témoignant
ainsi de son intérêt.
Je souhaite également exprimer ma reconnaissance et ma sympathie à tous ceux qui
m’ont aidée au cours de ces années, notamment :
Monsieur le Docteur Jacques DIDELON,
Pour son aide lors de la réalisation de l’instrumentation bimodale, pour ses conseils avisés, son
soutien et sa grande courtoisie.
Monsieur Christophe CHOSEROT,
Pour sa collaboration lors du développement du banc de test mécanique et de l’instrumentation
électronique associée lors de l’étude in vitro.
Monsieur le Docteur Dominique DUMAS,
Pour sa participation à la réalisation des images en microscopie confocale.
Madame le Docteur Céline FROCHOT,
Pour sa disponibilité lors des expériences réalisées au Département de Chimie Physique des Ré-
actions.
Madame le Docteur Marie-Ange D’HALLEWIN,
Pour l’expertise histologique des coupes de vessie de rats.
Yahir HERNÁNDEZ MIER, mon collègue de travail,
Ton soutien constant, ton amitié et ta bonne humeur ont éclairé ces nombreuses années.
Cédric THOMAS,
Je tiens à souligner ta motivation et ton investissement et je te souhaite le meilleur pour la suite.
Diego, Ivan, Laurentiu,
Pour votre soutien et les discussions en anglais qui animaient les pauses repas.
Mes collègues de l’ENSEM : Mohamed, Gabriel, Gilberto, Sophie, Hamid, Hugo et Rebeca,
Michel, Loïc, Marine,
Pour les échanges scientifiques et les agréables moments vécus en votre compagnie.
iiJean-Christophe GOEBEL,
Pour ton soutien, ta gentillesse et pour les quelques nuits blanches... réservées aux expériences
sur les artères.
Saoussen BERRAHMOUNE,
Pour m’avoir initiée au protocole expérimental utilisé lors des expériences sur les vessies de rats.
Madame Anne-Laure LEBLANC,
Pour son efficacité au sein de l’animalerie.
Tout le personnel professoral et administratif du Centre de Recherche en Automatique
de Nancy et du Centre Alexis Vautrin,
Pour son soutien et sa disponibilité.
Le Docteur Agnès LEROUX et ses collaborateurs du service d’Anatomie Pathologique
du Centre Alexis Vautrin,
Pour leur disponibilité lors de la réalisation des coupes histologiques.
Tout le personnel professoral et administratif de l’IUT Nancy-Brabois, particulière-
ment leProfesseur David BRIE, leDocteur Brice VINCENT etMonsieur Dominique
RICHIER,
Pour leurs encouragements et leur sympathie.
Mes amis : Anne, Arnaud, Betty, Fadil, Hervé, Yaya...
Pour leur soutien moral jamais démenti.
La Région Lorraine,
Jeluisuisprofondémentreconnaissante pourlesoutienfinancierapportéàcetravailderecherche
durant trois ans.
La ligue Contre Le Cancer, Comités Lorrains,
Pour leur soutien financier, notamment à l’action SpID (Spectro-Imagerie de Diagnostic) du
groupe IPS.
Que ceux que j’aurais oubliés ne m’en tiennent pas rigueur. Les nombreuses rencontres que
j’ai faites pendant ces années de recherche ont toujours été pour moi source d’ouverture et d’évo-
lution tant sur les plans personnel et professionnel. Qu’ils trouvent là, la marque de ma profonde
gratitude.
Enfin,mes remerciements lespluschaleureux vontàmafamille:àmesparents,àmonfrère
et à ma soeur, pour m’avoir soutenue pendant toute la durée de mes recherches.
iiiivÀ mes parents,
vviTable des matières
Production scientifique xiii
Table des figures xvii
Liste des tableaux xxi
Liste des acronymes xxiii
Nomenclature xxv
Introduction 1
Chapitre 1 Contexte de l’étude et problématique scientifique 5
1.1 Cadre Applicatif de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Le cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1.2 Tissus épithéliaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 Du dépistage au diagnostic du cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.1 Le dépistage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.2 Le diagnostic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.3 Critères d’évaluation d’une technique de dépistage et/ou de diag-
nostic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3 Classification des tumeurs : cancer de la vessie . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3.1 Physiologie du système urinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3.2 Epidémiologie et symptômes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3.3 Types et classification TNM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.3.4 Méthodes optiques pour le diagnostic . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Problématique scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.1 Motivations cliniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.2 But et organisation des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.3 Objectifs spécifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
vii