Exploration 4D de la rétine pour la photocoagulation laser assistée par optique adaptative

Retinal laser photocoagulation is commonly used to treat Diabetic Macular Edema. However, it is impossible with current laser systems to prevent some degree of damage to healthy neighboring tissues, due to the lack of control of the 3D confinement and position of the laser impact. These limitations are mostly caused by ocular aberrations and the constant eye movement. Adaptive Optics (AO) is a technology used since 1997 which enables ocular aberrations compensation in real-time, providing images of the retina with an unbeaten resolution. Laser photocoagulation systems could benefit from the AO capacity to control the 3D confinement of the therapeutic laser and to generate high-resolution retinal images that could be used to guide the surgeon and to control the 3D position of the laser impact in the retina. However, a great effort still has to be made to meet laser photocoagulation requirements. This thesis consists of the design and realization of the first 3D high-resolution AO-assisted Laser Photocoagulation system. For this end, we first present a high spatiotemporal resolution characterization of the 3D PSF evolution within the eye, enabling the design of a high-performance AO system, adapted to a therapeutic application, \ie 3D control of the laser confinement. Then, I used the high-resolution retinal imaging system ECURoeil to validate these results and develop new methods enabling the 4D exploration of the retina (volume + temporal evolution) in real-time, for 3D control of the laser impact position. Finally, all the developments have been brought together in the CLOVIS3D bench, a compact instrument to perform clinically the first therapeutic application of Adaptive Optics.La photocoagulation laser rétinienne est couramment utilisée pour traiter l'oedème maculaire diabétique. Cependant, il est impossible avec les systèmes laser actuels d'empêcher un certain degré d'endommagement des tissus sains adjacents, en raison du manque de contrôle du confinement et de la position 3D de l'impact laser sur la rétine. Ces limitations sont principalement causées par des aberrations et mouvements oculaires. L'optique adaptative (OA) est une technologie utilisée depuis 1997 qui permet la compensation des aberrations oculaires en temps réel, en fournissant des images de la rétine avec une résolution à la limite de la diffraction. Les systèmes de photocoagulation laser pourraient bénéficier de la capacité de l'OA à contrôler le confinement 3D du laser thérapeutique et à générer des images rétiniennes à haute résolution qui pourraient être utilisées ensuite pour guider le chirurgien et contrôler la position 3D de l'impact laser dans la rétine. Cependant, un grand effort doit encore être fait pour répondre aux exigences de photocoagulation laser. Cette thèse consiste en la conception et la réalisation du premier système de photocoagulation laser assistée par Optique Adaptative. Pour cela, à partir de la caractérisation de l'évolution du confinement 3D de l'impact laser dans l'oeil, nous avons pu conclure sur le design d'un système d'OA pour l'oeil adapté aux exigences de la thérapie laser, c'est-à-dire le contrôle du confinement 3D de l'impact laser. Ensuite, j'ai exploité le banc d'imagerie de la rétine à haute performance ECURoeil pour valider ces résultats et développer de nouvelles méthodes permettant l'exploration 4D de la rétine (volume + évolution temporelle) en temps réel, pour le contrôle 3D de la position d'impact laser. Enfin, l'ensemble de ces développements ont été réunis dans le banc CLOVIS3D, un instrument compact visant à réaliser en clinique la première application thérapeutique de l'optique adaptative

Adaptive-glasses time-domain FFOCT for wide-field high-resolution retinal imaging with increased SNR

International audienceThe highest three-dimensional (3D) resolution possible in in vivo retinal imaging is achieved by combining optical coherence tomography (OCT) and adaptive optics. However, this combination brings important limitations, such as small field-of-view and complex, cumbersome systems, preventing so far the translation of this technology from the research lab to clinics. In this Letter, we mitigate these limitations by combining our compact time-domain full-field OCT (FFOCT) with a multi-actuator adaptive lens positioned just in front of the eye, in a technique we call the adaptive-glasses wavefront sensorless approach. Through this approach, we demonstrate that ocular aberrations can be corrected, increasing the FFOCT signal-to-noise ratio (SNR) and enabling imaging of different retinal layers with a 3D cellular resolution over a 5∘×5∘ field-of-view, without apparent anisoplanatism

Optical Incoherence Tomography: a method to generate tomographic retinal cross-sections with non-interferometric adaptive optics ophthalmoscopes

International audienceWe present Optical Incoherence Tomography (OIT): a completely digital method to generate tomographic retinal cross-sections from en-face through-focus image stacks acquired by non-interferometric imaging systems, such as en-face adaptive optics (AO)-ophthalmoscopes. We demonstrate that OIT can be applied to different imaging modalities using back-scattered light, including systems without inherent optical sectioning and, for the first time, multiply-scattered light, revealing a distinctive cross-sectional view of the retina. The axial dimension of OIT cross-sections is given in terms of focus position rather than optical path, as in OCT. We explore this property to guide focus position in cases where the user is "blind" focusing, allowing precise plane selection for en-face imaging of retinal pigment epithelium, the vascular plexuses and translucent retinal neurons, such as photoreceptor inner segments and retinal ganglion cells, using respectively autofluorescence, motion contrast and split detection techniques

Tomographie par incohérence optique : une méthode pour générer des coupes tomographiques de la rétine avec des ophtalmoscopes à optique adaptative non interférométrique

International audienceWe present Optical Incoherence Tomography (OIT): a completely digital method to generate tomographic retinal cross-sections from en-face through-focus image stacks acquired by non-interferometric imaging systems, such as en-face adaptive optics (AO)-ophthalmoscopes. We show how to use OIT to guide focus position in cases where the user is “blind" focusing, such as auto fluorescence imaging of the Retinal Pigment Epithelium (RPE). We also demonstrate that OIT can produce distinctive cross-sectional views of the retina using back-scattered, multiply-scattered or even fluorescent light, making it a complementary technique to OCT.Nous présentons la Tomographie par Incohérence Optique (OIT) : une méthode entièrement numérique pour générer des coupes transversales de la rétine tomographique à partir de piles d'images en face acquises pour différents plans focales par des systèmes d'imagerie non interférométriques, tels que les ophtalmoscopes à optique adaptative. Nous montrons comment utiliser l'OIT pour guider la position du plan focal dans les cas où l'utilisateur effectue une mise au point "en aveugle", comme l'imagerie par autofluorescence de l'épithélium pigmentaire de la rétine. Nous démontrons également que l'OIT peut produire des vues en coupe transversale distinctes de la rétine en utilisant une lumière rétrodiffusée, multidiffusée ou même fluorescente, ce qui en fait une technique complémentaire à l'OCT

Coherence gate shaping for wide field high-resolution in vivo retinal imaging with full-field OCT

International audienceAllying high-resolution with a large field-of-view (FOV) is of great importance in the fields of biology and medicine, but it is particularly challenging when imaging non-flat living samples such as the human retina. Indeed, high-resolution is normally achieved with adaptive optics (AO) and scanning methods, which considerably reduce the useful FOV and increase the system complexity. An alternative technique is time-domain full-field optical coherence tomography (FF-OCT), which has already shown its potential for in-vivo high-resolution retinal imaging. Here, we introduce coherence gate shaping for FF-OCT, to optically shape the coherence gate geometry to match the sample curvature, thus achieving a larger FOV than previously possible. Using this instrument, we obtained high-resolution images of living human photoreceptors close to the foveal center without AO and with a 1 mm × 1 mm FOV in a single shot. This novel advance enables the extraction of photoreceptor-based biomarkers with ease and spatiotemporal monitoring of individual photoreceptors. We compare our findings with AO-assisted ophthalmoscopes, highlighting the potential of FF-OCT, as a compact system, to become a routine clinical imaging technique

Fixational eye movement: a negligible source of dynamic aberration

International audienceTo evaluate the contribution of fixational eye movements to dynamic aberration, 50 healthy eyes were examined with an original custom-built Shack-Hartmann aberrometer, running at a temporal frequency of 236Hz, with 22 lenslets across a 5mm pupil, synchronized with a 236Hz pupil tracker. A comparison of the dynamic behavior of the first 21 Zernike modes (starting from defocus) with and without digital pupil stabilization, on a 3.4s sequence between blinks, showed that the contribution of fixational eye movements to dynamic aberration is negligible. Therefore we highlighted the fact that a pupil tracker coupled to an Adaptive Optics Ophthalmoscope is not essential to achieve diffraction-limited resolution.Pour évaluer la contribution des mouvements oculaires de fixation à l'aberration dynamique, 50 yeux sains ont été examinés avec un aberromètre du type Shack-Hartmann, fonctionnant à une fréquence temporelle de 236Hz, avec 22 micro-lentilles sur une pupille de 5mm, synchronisées avec un suiveur pupillaire de 236Hz. Une comparaison du comportement dynamique des 21 premiers modes de Zernike (à partir de la défocalisation) avec et sans stabilisation numérique de la pupille, sur une séquence de 3.4s entre les clignements, a montré que la contribution des mouvements oculaires de fixation à l'aberration dynamique est négligeable. Par conséquent, nous avons souligné le fait qu'un suiveur pupillaire couplé à un ophtalmoscope assisté par l’Optique Adaptative n'est pas essentiel pour obtenir une résolution limitée par la diffraction

Higher adaptive optics loop rate enhances axial resolution in nonconfocal ophthalmoscopes

International audienceIn this Letter, we propose a way to better understand the impact of dynamic ocular aberrations in the axial resolution of nonconfocal adaptive optics (AO) ophthalmoscopes via a simulation of the 3D PSF in the retina for various AO-loop rates. We then use optical incoherence tomography, a method enabling the generation of tomographic retinal cross sections in incoherent imaging systems, to evaluate the benefits of a fast AO-loop rate on axial resolution and, consequently, on AO-corrected retinal image quality. We used the PARIS AO flood-illumination ophthalmoscope for this study, where retinal images from different focal planes at an AO-loop rate of 10 and 50 Hz were acquired