Comparative analysis of full-field OCT and optical transmission tomography

This work compares two tomographic imaging technologies, time-domain full-field optical coherence tomography (FFOCT) working in reflection and optical transmission tomography (OTT), using a new optical setup that combines both. We show that, due to forward-scattering properties, the axial sectioning and contrast in OTT can be optimized by tuning illumination. The influence of sample scattering and thickness are discussed. We illustrate the comparison of the two methods in static (morphology) and dynamic (metabolic contrast) regimes using cell cultures, tissues and entire organisms emphasizing the advantages of both approaches

Full-field optical coherence tomography for non-contact cellular-level resolution in vivo human cornea imaging

Ce projet de thèse vise à créer un système optique pour l'imagerie à haute résolution sans contact de la cornée humaine in vivo. Pour y parvenir, le système de tomographie par cohérence optique plein champ travaillant dans le domaine temporel ex vivo par contact (FFOCT) a été transformé en un dispositif d'imagerie in vivo sans contact et a été appliqué pour la première fois à l'œil humain. La FFOCT a permis d’acquérir des images de la cornée, du limbe, de la sclère et du film lacrymal sur des yeux humains, révélant des cellules et des nerfs, pouvant être quantifiés sur un champ de vision millimétrique, bien au-delà des capacités de la microscopie confocale et de la tomographie par cohérence optique (OCT) conventionnelle. Le flux sanguin et la dynamique du film lacrymal ont pu être suivis directement et quantifiés. De plus, la FFOCT a été combinée à un OCT spectral pour effectuer un suivi des mouvements axiaux de l'œil en temps réel et une correction de la défocalisation. Ce dernier ajout a permis l’imagerie et l’affichage FFOCT en temps réel, ce qui ouvre la voie à la mise en œuvre future de dispositifs dans pour la recherche que pour la pratique clinique. Le transfert de FFOCT du laboratoire à l’hôpital est en outre stimulé par plusieurs solutions qui sont proposées dans le manuscrit, dans le but de réduire la complexité instrumentale. Enfin, un dispositif FFOCT apparenté a été appliqué à l’imagerie rétinienne humaine in vivo, révélant des photorécepteurs.This PhD project aimed to create an optical system for non-contact cellular resolution imaging of the human cornea in vivo. To achieve that, the contact ex vivo time-domain full-field optical coherence tomography (FFOCT) system was transformed into a non-contact in vivo imaging device and was for the first time applied to the human eye. FFOCT acquired images from the entire human cornea, limbus, sclera and tear film, revealing cells and nerves, which could be quantified over a millimetric field-of-view, beyond the capability of confocal microscopy and conventional optical coherence tomography (OCT). Blood flow and tear film dynamics could be directly followed and quantified. Furthermore, FFOCT was combined with a conventional OCT to perform real-time axial eye tracking and defocusing correction. The latter enabled real-time FFOCT imaging and display, which opens a path for future device implementation in clinical research and practice. Bench to bedside transfer of FFOCT is further stimulated by several solutions proposed in the manuscript, aiming to reduce the instrumentational complexity. Finally, a related FFOCT device was applied to imaging in vivo human retina, revealing the photoreceptors

Tomographie optique cohérente pour l’imagerie in vivo de la cornée

This PhD project aimed to create an optical system for non-contact cellular resolution imaging of the human cornea in vivo. To achieve that, the contact ex vivo time-domain full-field optical coherence tomography (FFOCT) system was transformed into a non-contact in vivo imaging device and was for the first time applied to the human eye. FFOCT acquired images from the entire human cornea, limbus, sclera and tear film, revealing cells and nerves, which could be quantified over a millimetric field-of-view, beyond the capability of confocal microscopy and conventional optical coherence tomography (OCT). Blood flow and tear film dynamics could be directly followed and quantified. Furthermore, FFOCT was combined with a conventional OCT to perform real-time axial eye tracking and defocusing correction. The latter enabled real-time FFOCT imaging and display, which opens a path for future device implementation in clinical research and practice. Bench to bedside transfer of FFOCT is further stimulated by several solutions proposed in the manuscript, aiming to reduce the instrumentational complexity. Finally, a related FFOCT device was applied to imaging in vivo human retina, revealing the photoreceptors.Ce projet de thèse vise à créer un système optique pour l'imagerie à haute résolution sans contact de la cornée humaine in vivo. Pour y parvenir, le système de tomographie par cohérence optique plein champ travaillant dans le domaine temporel ex vivo par contact (FFOCT) a été transformé en un dispositif d'imagerie in vivo sans contact et a été appliqué pour la première fois à l'œil humain. La FFOCT a permis d’acquérir des images de la cornée, du limbe, de la sclère et du film lacrymal sur des yeux humains, révélant des cellules et des nerfs, pouvant être quantifiés sur un champ de vision millimétrique, bien au-delà des capacités de la microscopie confocale et de la tomographie par cohérence optique (OCT) conventionnelle. Le flux sanguin et la dynamique du film lacrymal ont pu être suivis directement et quantifiés. De plus, la FFOCT a été combinée à un OCT spectral pour effectuer un suivi des mouvements axiaux de l'œil en temps réel et une correction de la défocalisation. Ce dernier ajout a permis l’imagerie et l’affichage FFOCT en temps réel, ce qui ouvre la voie à la mise en œuvre future de dispositifs dans pour la recherche que pour la pratique clinique. Le transfert de FFOCT du laboratoire à l’hôpital est en outre stimulé par plusieurs solutions qui sont proposées dans le manuscrit, dans le but de réduire la complexité instrumentale. Enfin, un dispositif FFOCT apparenté a été appliqué à l’imagerie rétinienne humaine in vivo, révélant des photorécepteurs

Visualization 2.avi

Comparison of mouse heart images in FFOCT and OTT. Scale bars are 20 microns

Visualization 1.avi

Sectioning resolution and contrast in OTT (direct bright field camera frames) depending on the illumination. Scale bars are 20 micron

visualization 1.avi

Effect of Gouy phase shift on the color of nanoparticle

visualization 4.avi

Dynamic FF-OTT in ex vivo pig retin

Visualization 4.avi

Comparison of mouse brain images in FFOCT and OTT. Scale bars are 20 microns

Visualization 1.mov

Phase-modulated fringes in ex vivo corneal epithelium