Spectroscopie optique multi-modalités in vivo : instrumentation, extraction et classification diagnostique de tissus sains et hyperplasiques cutanés

The incidence of skin cancers is steadily increasing. Their in vivo early diagnosis and characterization is an important issue. Our spatially resolved multi-modality spectroscopy approach aims at coupling autofluorescence (AF) and diffuse reflectance (DR) measurements, non invasively. The instrumentation developed allows to co-localized measures in multiple autofluorescence excitation (7 excitation peaks centered at 360, 368, 390, 400, 410, 420 and 430 nm) and diffuse reflectance (390 to 720 nm) spatially resolved at 5 inter-fiber distances (271, 536, 834, 1076, 1341 μm). The experimental protocol was focused on the early stages of skin cancer UV-induced in a preclinical model. Four reference classes were defined based on the histopathological analysis of the skin samples: Healthy (H), Compensatory Hyperplasia (HC), Atypical Hyperplasia (AH) and Dysplasia (D), leading to 6 combinations of class pairs to be discriminated. After preprocessing of the raw spectra (artifacts removing, averaging, filtering, spectral correction), extraction, selection and reduction of the most discriminative spectroscopic data set were performed. Then, the efficacy of three supervised classification algorithms was compared: k-Nearest Neighbors (k-NN), Linear Discriminant Analysis (LDA) and Support Vector Machine (SVM). The contribution of the different modalities was also evaluated: single AF excitation alone, Excitation-Emission Matrices AF (EEMs) alone, Diffuse Reflectance (DR) alone, coupling of EEMs and RD, coupling of EEMs and RD with spatial resolution. The final efficiency of our diagnostic method was evaluated in terms of sensitivity (Se) and specificity (Sp). The best results obtained are: Se and Sp ≈ 100% for discriminating CH vs. others; Sp ≈ 100% and Se> 95% for discriminating H or D vs. AH; Sp ≈ 74% and Se ≈ 63% to discriminate AH vs. D.L'incidence des cancers cutanés est en constante progression. Leur diagnostic précoce et leur caractérisation in vivo constituent donc un enjeu important. Notre approche multi-modalités non invasive en spectroscopie fibrée résolue spatialement vise à coupler des mesures d'AutoFluorescence (AF) et de Réflectance Diffuse (RD). L'instrumentation développée permet des mesures co-localisées en multiple excitation d'autofluorescence (7 pics d'excitation centrés à 360, 368, 390, 400, 410, 420 et 430 nm) et en réflectance diffuse (390 à 720 nm) résolues spatialement à 5 distances inter-fibres (271, 536, 834, 1076, 1341 µm). Le protocole d'étude expérimental a porté sur les stades précoces de cancers cutanés UV-induits sur un modèle pré-clinique. L'analyse histopathologique a permis de définir 4 classes (états) de référence de tissus cutanés : Sain (S), Hyperplasie Compensatoire (HC), Hyperplasie Atypique (HA) et Dysplasie (D), menant à 6 combinaisons de paires histologiques à discriminer. Suite au prétraitement des spectres bruts acquis (suppression des artefacts, moyennage, filtrage, correction spectrale), puis à l'extraction, la sélection et la réduction de jeux de caractéristiques spectroscopiques les plus discriminantes, les performances de trois algorithmes de classification supervisée ont été comparées : k-Plus Proches Voisins (k-PPV), Analyse Discriminante Linéaire (ADL) et Machine à Vecteur de Support (MVS). Les contributions des différentes modalités ont également été évaluées : mono-excitation d'AF seule, Matrices d'Excitation-Emission en AF seules (EEMs), réflectance diffuse (RD) seule, couplage EEMs – RD et couplage EEMs – RD résolue spatialement. L'efficacité finale de notre méthode diagnostique a été évaluée en termes de sensibilité (Se) et de spécificité (Sp). Les meilleures résultats obtenus sont : Se et Sp ≈ 100% pour discriminer CH vs autres ; Sp ≈ 100% et Se > 95% pour discriminer S vs AH ou D ; Sp ≈ 74% et Se ≈ 63% pour discriminer AH vs D