Model inversion and separation of optical spectroscopy signals for in vivo characterization of skin

La détection de tissus biologiques pré-cancéreux au cours d’un diagnostic clinique est rendue possible grâce au développement de méthodes spectroscopiques optiques, appelées également biopsie optique. Ces méthodes permettent de mettre en évidence les modifications du métabolisme et de la structure des tissus biologiques. Dans cette thèse, les mesures optiques sont réalisées sur les tissus cutanés à l’aide d’un instrument intégrant deux modalités : la réflectance diffuse résolue spatialement et l’autofluorescence. L’exploitation des spectres consiste à résoudre un problème inverse non-linéaire pour estimer les propriétés optiques du milieu sondé à l’aide d’un modèle d’interaction lumière-tissu. À partir de ces propriétés optiques, la caractérisation de l’état du tissu, sain ou anormal, est possible. La première contribution de la thèse est de proposer une méthode d'inversion qui intègre une simulation Monte Carlo rapide et une fonction coût gérant les deux modalités spectrales dans le but d’améliorer la précision de l’estimation des propriétés optiques, quelle que soit la géométrie de la sonde. La deuxième contribution de la thèse est d'étudier la cinétique des fluorophores présents dans les tissus par une approche de séparation de sources, qui ne nécessite pas le recours à une simulation Monte Carlo. Dans cette approche, une collection de spectres acquis au cours du temps est analysée conjointement, avec peu d'hypothèses a priori de la forme des signaux sources. La sensibilité de cette approche est validée par l’emploi d’agents de clarification optique qui augmentent la transparence des tissus en diminuant la diffusion et l’absorption des photons dans les tissus, et donnent ainsi accès à des informations plus précises en profondeur.The detection of pre-cancerous biological tissues during clinical diagnosis is made possible by the development of optical spectroscopic methods, also known as optical biopsy. These methods make it possible to identify changes in the metabolism and structure of biological tissues. In this thesis, optical measurements are performed on skin tissues using an optical device that integrates two modalities: spatially resolved diffuse reflectance and autofluorescence. Spectra exploitation involves solving a non-linear inverse problem to estimate the optical properties using a light-tissue interaction model. From these optical properties, it is possible to characterize the condition of the tissue, healthy or abnormal. The first contribution of the thesis is to propose an inversion method that integrates a fast Monte Carlo model and a cost function managing two spectral modalities in order to improve the accuracy of the estimation of optical properties, regardless of the geometry of the probe. The second contribution is to study the kinetics of fluorophores present in tissues by a source separation approach, which does not require the use of a Monte Carlo model. In this approach, a collection of spectra acquired over time is analyzed together, with few a priori assumptions about the shape of the source signals. The sensitivity of this approach is validated by the use of optical clearing that increase tissue transparency by decreasing photon diffusion and absorption in tissues, thus providing access to more accurate in-depth information