Source separation approach for the analysis of spatially resolved multiply excited autofluorescence spectra during optical clearing of ex vivo skin

Spatially resolved multiply excited autofluorescence spectroscopy is a valuable optical biopsy technique to investigate skin UV-visible optical properties in vivo in clinics. However, it provides bulk fluorescence signals from which the individual endogenous fluorophore contributions need to be disentangled. Skin optical clearing allows for increasing tissue transparency, thus providing access to more accurate in-depth information. The aim of the present contribution was to study the time changes in skin spatially resolved and multiply excited autofluorescence spectra during skin optical clearing. The latter spectra were acquired on an ex vivo human skin strip lying on a fluorescent gel substrate during 37 minutes of the optical clearing process of a topically applied sucrose-based solution. A Non Negative Matrix Factorization-based blind source separation approach was proposed to unmix skin tissue intrinsic fluorophore contributions and to analyze the time evolution of this mixing throughout the optical clearing process. This spectral unmixing exploited the multidimensionality of the acquired data, i.e., spectra resolved in five excitation wavelengths, four source-to-detector separations, and eight measurement times. Best fitting results between experimental and estimated spectra were obtained for optimal numbers of 3 and 4 sources. These estimated spectral sources exhibited common identifiable shapes of fluorescence emission spectra related to the fluorescent gel substrate and to known skin intrinsic fluorophores matching namely dermis collagen/elastin and epidermis flavins. The time analysis of the fluorophore contributions allowed us to highlight how the clearing process towards the deepest skin layers impacts skin autofluorescence through time, namely with a strongest contribution to the bulk autofluorescence signal of dermis collagen (respectively epidermis flavins) fluorescence at shortest (respectively longest) excitation wavelengths and longest (respectively shortest) source-to-detector separations

Fluorescence induite par laser multibande appliquée à la mesure de température dans les milieux complexes

Multiband laser-induced fluorescence is a non-intrusive technique able to provide a measurement of the liquid phase of complex media. The application of this technique in single phase liquids, with a variable optical path (product of the fluorescent tracer molecular concentration by the distance between the probe volume and the collection optics in the liquid) was considered. The ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands allows removing the influence of the fluorescence tracer concentration, incident laser intensity and probe volume. A third spectral band of detection is used to take into account the re-absorption of the fluorescence in the case of non negligible and variable optical paths. Then, the application of this technique to the measurement of the temperature of the liquid phase of a spray is presented. A specific data processing was developed in order to take into account the random presence of droplets in the probe volume. Moreover, the processing was adapted to achieve combined fluorescence and droplet size measurements using the phase Doppler technique. The overall foreseen goal is to measure temperature per droplet size class. However, several disturbing phenomena were highlighted: - an unexpected non-linear dependence on the droplet size of the ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands, - a strong incident laser light scattering by the droplets cloud, which induces a fluorescence beyond the excitation zone. This fluorescence is also collected in the depth of field of the optical device and combines with the non-linear size dependence. A correction strategy of these phenomena was implemented and a validation experiment on a heated spray injected in a vapour-saturated cell was performedLa fluorescence induite par laser multibande est une technique non intrusive permettant d'accéder à la température de la phase liquide dans des milieux complexes. L'application de cette technique dans des liquides monophasiques où le chemin optique est variable (produit de la concentration moléculaire du traceur et de la distance dans le milieu liquide entre le volume de mesure et l'optique de détection) a été considérée. Le rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales permet de s'affranchir de la concentration en traceur fluorescent, de l'intensité laser incidente et du volume de mesure. Une troisième bande spectrale de détection permet de prendre en compte le terme de ré-absorption de la fluorescence dans le cas de chemins optiques non-négligeables et variables. Puis l'application de la technique à la mesure de la température de la phase liquide d'un spray est présentée. Un traitement spécifique du signal a été développé afin de tenir compte de la nature aléatoire du signal de fluorescence liée à la présence de gouttes dans le volume de mesure. De plus, ce traitement a été adapté afin de rendre possible le couplage des données de fluorescence avec des mesures granulométriques effectuées par la technique phase Doppler dans la perspective finale d'obtenir des températures de goutte par classe de taille. Cependant plusieurs phénomènes perturbateurs ont été mis en évidence : - une dépendance inattendue et non linéaire à la taille de goutte du rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales. - une forte diffusion de la lumière laser incidente par le nuage de gouttelettes induit une fluorescence bien au delà de la zone d'excitation laser. Cette fluorescence parasite est néanmoins détectée dans la profondeur de champ du dispositif optique et se conjugue avec l'effet non-linéaire de la taille des gouttes. Une stratégie de correction de ces différents phénomènes est proposée et une expérience de validation est réalisée sur un spray chauffé injecté dans une cellule saturée en vapeu

Multiband Laser-induced Fluorescence applied to temperature measurement in complex media

La fluorescence induite par laser multibande est une technique non intrusive permettant d’accéder à la température de la phase liquide dans des milieux complexes. L’application de cette technique dans des liquides monophasiques où le chemin optique est variable (produit de la concentration moléculaire du traceur et de la distance dans le milieu liquide entre le volume de mesure et l’optique de détection) a été considérée. Le rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales permet de s’affranchir de la concentration en traceur fluorescent, de l’intensité laser incidente et du volume de mesure. Une troisième bande spectrale de détection permet de prendre en compte le terme de ré-absorption de la fluorescence dans le cas de chemins optiques non-négligeables et variables. Puis l’application de la technique à la mesure de la température de la phase liquide d’un spray est présentée. Un traitement spécifique du signal a été développé afin de tenir compte de la nature aléatoire du signal de fluorescence liée à la présence de gouttes dans le volume de mesure. De plus, ce traitement a été adapté afin de rendre possible le couplage des données de fluorescence avec des mesures granulométriques effectuées par la technique phase Doppler dans la perspective finale d’obtenir des températures de goutte par classe de taille. Cependant plusieurs phénomènes perturbateurs ont été mis en évidence : - une dépendance inattendue et non linéaire à la taille de goutte du rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales. - une forte diffusion de la lumière laser incidente par le nuage de gouttelettes induit une fluorescence bien au delà de la zone d’excitation laser. Cette fluorescence parasite est néanmoins détectée dans la profondeur de champ du dispositif optique et se conjugue avec l’effet non-linéaire de la taille des gouttes. Une stratégie de correction de ces différents phénomènes est proposée et une expérience de validation est réalisée sur un spray chauffé injecté dans une cellule saturée en vapeurMultiband laser-induced fluorescence is a non-intrusive technique able to provide a measurement of the liquid phase of complex media. The application of this technique in single phase liquids, with a variable optical path (product of the fluorescent tracer molecular concentration by the distance between the probe volume and the collection optics in the liquid) was considered. The ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands allows removing the influence of the fluorescence tracer concentration, incident laser intensity and probe volume. A third spectral band of detection is used to take into account the re-absorption of the fluorescence in the case of non negligible and variable optical paths. Then, the application of this technique to the measurement of the temperature of the liquid phase of a spray is presented. A specific data processing was developed in order to take into account the random presence of droplets in the probe volume. Moreover, the processing was adapted to achieve combined fluorescence and droplet size measurements using the phase Doppler technique. The overall foreseen goal is to measure temperature per droplet size class. However, several disturbing phenomena were highlighted: - an unexpected non-linear dependence on the droplet size of the ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands, - a strong incident laser light scattering by the droplets cloud, which induces a fluorescence beyond the excitation zone. This fluorescence is also collected in the depth of field of the optical device and combines with the non-linear size dependence. A correction strategy of these phenomena was implemented and a validation experiment on a heated spray injected in a vapour-saturated cell was performe

Fluorescence induite par laser multibande appliquée à la mesure de température dans les milieux complexes

La fluorescence induite par laser multibande est une technique non intrusive permettant d accéder à la température de la phase liquide dans des milieux complexes. L application de cette technique dans des liquides monophasiques où le chemin optique est variable (produit de la concentration moléculaire du traceur et de la distance dans le milieu liquide entre le volume de mesure et l optique de détection) a été considérée. Le rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales permet de s affranchir de la concentration en traceur fluorescent, de l intensité laser incidente et du volume de mesure. Une troisième bande spectrale de détection permet de prendre en compte le terme de ré-absorption de la fluorescence dans le cas de chemins optiques non-négligeables et variables. Puis l application de la technique à la mesure de la température de la phase liquide d un spray est présentée. Un traitement spécifique du signal a été développé afin de tenir compte de la nature aléatoire du signal de fluorescence liée à la présence de gouttes dans le volume de mesure. De plus, ce traitement a été adapté afin de rendre possible le couplage des données de fluorescence avec des mesures granulométriques effectuées par la technique phase Doppler dans la perspective finale d obtenir des températures de goutte par classe de taille. Cependant plusieurs phénomènes perturbateurs ont été mis en évidence : - une dépendance inattendue et non linéaire à la taille de goutte du rapport des intensités de fluorescence collectées sur deux bandes spectrales. - une forte diffusion de la lumière laser incidente par le nuage de gouttelettes induit une fluorescence bien au delà de la zone d excitation laser. Cette fluorescence parasite est néanmoins détectée dans la profondeur de champ du dispositif optique et se conjugue avec l effet non-linéaire de la taille des gouttes. Une stratégie de correction de ces différents phénomènes est proposée et une expérience de validation est réalisée sur un spray chauffé injecté dans une cellule saturée en vapeurMultiband laser-induced fluorescence is a non-intrusive technique able to provide a measurement of the liquid phase of complex media. The application of this technique in single phase liquids, with a variable optical path (product of the fluorescent tracer molecular concentration by the distance between the probe volume and the collection optics in the liquid) was considered. The ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands allows removing the influence of the fluorescence tracer concentration, incident laser intensity and probe volume. A third spectral band of detection is used to take into account the re-absorption of the fluorescence in the case of non negligible and variable optical paths. Then, the application of this technique to the measurement of the temperature of the liquid phase of a spray is presented. A specific data processing was developed in order to take into account the random presence of droplets in the probe volume. Moreover, the processing was adapted to achieve combined fluorescence and droplet size measurements using the phase Doppler technique. The overall foreseen goal is to measure temperature per droplet size class. However, several disturbing phenomena were highlighted: - an unexpected non-linear dependence on the droplet size of the ratio of the fluorescence intensities collected on two spectral bands, - a strong incident laser light scattering by the droplets cloud, which induces a fluorescence beyond the excitation zone. This fluorescence is also collected in the depth of field of the optical device and combines with the non-linear size dependence. A correction strategy of these phenomena was implemented and a validation experiment on a heated spray injected in a vapour-saturated cell was performedNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Etude du transfert de chaleur entre deux sprays anisothermes par mesures couplées de LIF et phase Doppler

National audienceCe travail expérimental étudie le transfert de chaleur entre les gouttes d’eau issues de deux sprays se mélangeant. Un spray est injecté à température ambiante alors que l’eau du second spray est préchauffé e avant injection. Des mesures couplées de fluorescence induite par laser (LIF) et d’analyse phase Doppler (PDA) sont entreprises afin d’obtenir une température par classe de taille de gouttes. L’influence du débit injecté est étudié e et afin de mettre en évidence le transfert de chaleur, un seul des deux sprays est ensemencé en traceur fluorescent. Ainsi, seules les gouttes ensemencées sont détectées et il est donc possible de déterminer leur variation en température

Study of the droplet size effect coupled with the laser light scattering in sprays for two-color LIF thermometry measurements

International audienceThe present paper deals with a new optical diagnostic that aims to perform droplet temperature measurements based on the two-color laser-induced fluores-cence (2cLIF). The 2cLIF requires a single tracer, and the fluorescence intensity is collected on two spectral bands. The ratio of both intensities measured in the case of single monodisperse droplets depends in principle only on the temperature. However, the application in the case of polydispere sprays failed. Indeed, a dependence of the droplet size correlated to the depth of field of the optics, used for fluorescence collection, induces a bias in the ratio value. This work analyses these coupled effects by using combined LIF and Phase Doppler Analyser measurements. This device allows achieving fluorescence ratio measurements per droplet size class. The study is conducted with two different sprays in terms of particles size and density. The use of a third spectral band of detection (3cLIF) and a long distance microscope leads to correct the size effect and reduce the depth of field effect, respectively. These investigations are then demonstrated by measuring temperatures in an overheated water spray

Impact de la pression exercée par la sonde optique sur les spectres optiques acquis sur peau humaine ex vivo et in vivo

International audienceThis work investigates the impact of several levels of optical probe pressure on human skin autofluorescence (AF) and diffuse reflectance (DR) spectra acquired using spatially-resolved optical spectroscopy in vivo and on ex vivo, i.e. exsanguinated, skin samples

Evaluation of temperature gradients within combusting droplets in linear stream using two colors laser-induced fluorescence

International audienceThe scope of this paper concerns the heating process of fuel droplets injected in a hot gaseous environment. The two colors laser-induced fluorescence technique allows measuring the temperature distribution within a droplet by scanning the droplet volume by a sufficiently small probe volume compared to the droplet volume itself. The temperature field is reconstructed using two approaches which have been compared. One is based on a geometrical optics model and the other is based on the 3D calculation of the internal excitation field within the droplet, using the generalized Lorenz-Mie theory. Experimental results have been obtained on a combusting monodisperse ethanol droplet stream (diameter around 200 lm)

Spatially-Resolved Multiply-Excited Autofluorescence and Diffuse Reflectance Spectroscopy: SpectroLive Medical Device for Skin In Vivo Optical Biopsy

This contribution presents the development of an optical spectroscopy device, called SpectroLive, that allows spatially-resolved multiply-excited autofluorescence and diffuse reflectance measurements. Besides describing the device, this study aims at presenting the metrological and safety regulation validations performed towards its aimed application to skin carcinoma in vivo diagnosis. This device is made of six light sources and four spectrometers for detection of the back-scattered intensity spectra collected through an optical probe (made of several optical fibers) featuring four source-to-detector separations (from 400 to 1000 µm). In order to be allowed by the French authorities to be evaluated in clinics, the SpectroLive device was successfully checked for electromagnetic compatibility and electrical and photobiological safety. In order to process spectra, spectral correction and metrological calibration were implemented in the post-processing software. Finally, we characterized the device’s sensitivity to autofluorescence detection: excitation light irradiance at the optical probe tip in contact with skin surface ranges from 2 to 11 W/m², depending on the light source. Such irradiances combined to sensitive detectors allow the device to acquire a full spectroscopic sequence within 6 s which is a short enough duration to be compatible with optical-guided surgery. All these results about sensitivity and safety make the SpectroLive device mature enough to be evaluated through a clinical trial that aims at evaluating its diagnostic accuracy for skin carcinoma diagnosis