Filtrage spatial pour ophtalmoscope plein champ

La transparence de l’œil permet d’observer la rétine de manière non-invasive par des moyens optiques, dans le but d’établir un diagnostic précoce de maladies rétiniennes et neurodégénératives. Malgré leur capacité à atteindre la résolution cellulaire (μm) avec l’optique adaptative (AO), les ophtalmoscopes actuels sont soumis à de multiples contraintes. Les mouvements oculaires imposent une imagerie haute cadence et la diffusion multiple altère la visibilité des structures rétiniennes. Cette thèse porte sur l’imagerie haute résolution, haut contraste, haute cadence (sans distorsion) de la rétine. La stratégie adoptée consiste à exploiter la haute cadence d’imagerie des ophtalmoscopes plein champ («flood illumination ophtalmoscopes», FIO), qui détectent la lumière rétrodiffusée par la rétine sur l’ensemble du champ de vue. Pour minimiser la diffusion multiple, nous nous inspirons du filtrage spatial du signal multidiffusé, réalisé par le trou confocal de détection des microscopes confocaux à balayage. Notons que la vitesse de reconstruction du champ de vue par balayage est limitée et rend ces systèmes sensibles aux artefacts de distorsion dus aux mouvements oculaires. Ainsi, nous avons choisi d’intégrer des degrés intermédiaires de filtrage spatial à un AO-FIO en implémentant un module de projection de motifs d’illumination, qui utilise une matrice de micro-miroirs (DMD). Ce module exploite l’optique adaptative de l’AO-FIO pour assurer la projection de motifs haute résolution (à la limite de diffraction) sur une région donnée d’une couche spécifique de la rétine. Projeter séquentiellement des motifs d’illumination complémentaires, couvrant chacun une partie du champ, nous a permis de réaliser un filtrage spatial digital pour imager les structures réfléchissantes (imagerie en champ clair) ou pour révéler (par contraste de phase) les structures faiblement réfléchissantes (imagerie en champ sombre). Associer à cette démarche des travaux de simulation de la diffusion et de la réfraction de la lumière dans la rétine (Monte Carlo), m’a permis de définir des conditions de filtrage offrant un contraste d’imagerie champ clair, proche de celui des systèmes confocaux, pour une cadence d’imagerie au moins 1000 fois plus rapide que ces derniers. J’ai pu concevoir et intégrer à l’AO-FIO un module d’imagerie qui applique ces conditions de filtrage, en utilisant une illumination ligne dont le balayage est synchronisé au rolling shutter d’une caméra. Ce système permet d’imager la rétine à une cadence de 200 Hz (vitesse d’imagerie du système plein champ), sur un champ de 1, 2 mm x 0, 7 mm. Nous avons pu obtenir des images hautement contrastées des photorécepteurs (PR), vaisseaux et fibres, en imagerie champ clair. Un mode d’imagerie champ sombre nous a aussi permis de révéler des structures faiblement réfléchissantes, habituellement invisibles avec les systèmes plein champ comme les parois des vaisseaux, les capillaires et les globules rouges. La capacité à projeter des motifs haute résolution avec le DMD s’est révélée essentielle dans le cadre de deux collaborations. La première porte sur le diagnostic précoce de la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). Dans le cadre de cette collaboration avec l’Institut de la Vision, des tests d’acuité visuelle ont été projetés sur la rétine des participants pendant que leurs mouvements oculaires ont été mesurés à une cadence de 800 Hz. Les premiers résultats de cette étude ont mis en évidence l’existence de biomarqueurs de la DMLA chez les sujets montrant des signes précoces de cette maladie. Le deuxième projet concerne l’utilisation de la technique de microscopie par illumination structurée (SIM) à l’imagerie de la rétine in-vivo. Des motifs de franges à la fréquence de modulation proche de la limite de diffraction ont été projetés sur la couche des PR. Les images reconstruites ont mis en évidence le gain en sectionnement optique et résolution apportés par la SIM.Eye transparency allows non-invasive observation of the retina by optical means, with the aim of establishing an early diagnosis of retinal and neurodegenerative diseases. Despite their ability to achieve cellular (micrometer) resolution with adaptive optics (AO), current ophthalmoscopes are subject to multiple constraints. Ocular movements impose high rate imaging and multiple scattering deteriorates the visibility of retinal structures. This thesis focuses on high-resolution, highcontrast, high-rate (undistorted) imaging of retinal structures. The strategy adopted consists in exploiting the high imaging rate of full field ophthalmoscopes or "flood illumination ophthalmoscopes" (FIO), which detect the light backscattered by the retina over the whole field of view. In order to minimize multiple scattering, our approach was to draw inspiration from the spatial filtering of the multiply scattered signal performed by the confocal detection hole of scanning confocal microscopy. One should note that the speed at which the scanning device reconstructs the field-of-view is limited, which makes these systems sensitive to distortion artifacts due to eye movements. Therefore, we have chosen to bring some degree of spatial filtering by implementing in the full field system a module for the projection of illumination patterns, which uses a micro-mirror array (DMD). This module uses the high ocular aberration correction capabilities of the retinal imaging system to ensure the projection of high resolution patterns (at the diffraction limit) on a specific layer of the retina and on a given region. Sequentially projecting complementary illumination patterns, each covering a part of the field, enabled us to perform digital spatial filtering, in order to observe the reflective structures (in bright field imaging) and to reveal (by phase contrast) the weakly reflective structures (dark field imaging) and then to reconstruct the field of view. Combining this experimental approach with the simulation of light scattering and refraction in the retina (using Monte Carlo algorithm), has allowed to define the filtering conditions that could provide an imaging contrast of highly reflective structures close to that of a confocal system, at a speed of image reconstruction of at least 1000 times faster than the latter. From these results, I was able to design an imaging module that applies these filtering conditions at the imaging speed of the full field system. This module relies on a line-field illumination whose scan is synchronized with the rolling shutter of a CMOS camera. The resulting device can image the retina at a rate of 200 Hz, over a field of 1.2 mm x 0.7 mm. We were able to obtain high contrast images of highly reflective structures (bright field imaging) such as photoreceptors, vessels and fibers. A dark field mode has also allowed to reveal low reflective structures, usually "invisible" with full field systems (phase contrast imaging) such as vessel walls, capillaries and red blood cells.The ability to project high-resolution patterns onto the retina with a DMD has proven to be essential in two collaborations. The first is a clinical application on the early diagnosis of agerelated macular degeneration (AMD), in collaboration with the Institut de la Vision. In this context, visual acuity tests were projected on the retina of participants while their retinal movements were measured at a rate of 800 Hz. The first results of this study showed the existence of biomarkers of AMD in subjects affected early by this disease. The second application is about the use of the structured illumination microscopy (SIM) technique for imaging the retina in vivo. Fringe patterns at the modulation frequency close to the diffraction limit could be projected onto the photoreceptor layer. The reconstructed SIM images have demonstrated the gain in optical sectioning and resolution brought by the SIM