Imagerie optique pour le diagnostic du cancer de l'ovaire

Le cancer de l’ovaire est l’un des cancers les plus mortels en raison de sa progression excessivement rapide. Il s’agit également d’une pathologie très hétérogène, prenant plusieurs formes et débutant souvent hors de l’ovaire. Une fraction importante des tumeurs et lésions prennent origine dans la trompe de Fallope, anatomiquement difficile d’accès. Actuellement, le diagnostic du cancer de l’ovaire se fait via une chirurgie exploratoire au cours de laquelle les organes touchés sont retirés pour examen pathologique. Le pathologiste effectue une inspection visuelle, puis quelques coupes histologiques pour établir s’il existe ou non une (des) lésion(s) et de quel type, ce qui permet d’établir le diagnostic de la patiente, puis le plan de traitement. Il est possible que des lésions et petites tumeurs (quelques centaines de micromètres) ne soient pas relevées à l’examen pathologique. Cette information manquante ne peut être employée pour établir le type et le stade de cancer, résultant parfois en un faux négatif (la patiente est déclarée saine alors qu’elle a un cancer), ce qui retarde le traitement et entraîne de sérieuses complications, souvent la mort, dans les 12 à 24 mois suivants l’intervention. Cette thèse de doctorat propose un nouvel instrument d’analyse exhaustive des trompes de Fallope afin d’assister le pathologiste dans sa tâche en faisant un lien entre l’inspection visuelle et l’analyse microscopique. L’instrument proposé est un système d’imagerie optique combinant la tomographie par cohérence optique (OCT) à la spectroscopie en fluorescence. Ainsi, la totalité de la trompe pourrait être imagée en quête de lésions potentiellement malignes. Les lésions détectées pourront être indexées et ensuite analysées de façon traditionnelle en pathologie. La thèse présente d’abord une revue critique des éléments clés de la littérature concernant le cancer de l’ovaire et l’importance des trompes de Fallope dans le dépistage et le diagnostic. Plusieurs nouvelles hypothèses médicales réorientent la recherche sur le cancer de l’ovaire et la thèse cherche à intégrer ces nouvelles idées. Dans l’effort d’acheminer un instrument d’imagerie optique en clinique pour le diagnostic, un travail en instrumentation a d’abord été réalisé. Ce travail passe par la réalisation de composants en fibre à double gaine, permettant de combiner plus d’une modalité d’imagerie par la même fibre en minimisant la dégradation des performances pour chacune des modalités. La première version du coupleur est un composant asymétrique en fibre à grande gaine interne. Ses performances sont en accord avec le modèle de prédiction théorique des performances développé dans la thèse. La seconde version du coupleur présente une amélioration des performances multimodes près des limites maximales théoriques.----------Abstract Ovarian cancer is one of the deadliest cancers for women. The progression of this disease is very fast and spreads to the whole body through the abdominal cavity. This pathology is highly heterogeneous and is now believed to originate away from the ovary in the majority of cases. In fact, the majority of the lesions and tumours spreads from the fallopian tube. Since direct access to these organs is difficult, diagnosis is performed after exploratory surgery, during which fallopian tubes, ovaries and uterus are removed for pathological examination. A pathologist then carefully inspects and dissects the tubes and ovaries looking for small lesions and tumours (a few hundreds of micrometers) to establish a diagnosis. It is possible that some of these lesions may be overlooked. If these lesions are missed during pathological evaluation, treatment can be delayed (in case of false negative, the patient is declared healthy but has a cancer), resulting in heavy complications, including death, in the following 12 to 24 months following the intervention. This Thesis investigates a new instrument for extensive analysis of the fallopian tubes to assist the pathologist during his or her diagnostic process. This instrument is an imaging system combining optical coherence tomography (OCT) and autofluorescence spectroscopy that can be inserted directly into the tubes. Such instrument could enable complete Imaging of the tubes in order to locate potentially harmful lesions. These lesions can then be identified on the tube for further histological analysis. The Thesis first presents a critical literature review about ovarian cancer and the role of fallopian tubes in screening and diagnosis of this condition. New medical hypothesis are now reorienting research and this Thesis leverages from these ideas. Working towards clinical use of the device, new instrumentation components have been developed. This work is based on optical fiber components enabling multimodal imaging through a double-clad fiber. The first version of the coupler developed is an asymmetric double-clad fiber coupler, along with a theoretical model predicting the performances of such device. In the second version, three new design concepts were used to design and fabricate the component. This coupler has performances close to the maximum theoretical limits. These couplers are then demonstrated in multimodal imaging schemes, such as OCT combined with fluorescence imaging. The three new design concepts were applied to small inner cladding double clad fiber couplers. Such devices were then integrated in a confocal imaging system with both fluorescence and reflectance contrasts as well as a tri-modal benchtop microscope (OCT, confocal and fluorescence imaging)

Fabrication et caractérisation d'hybrides optiques tout-fibre

Ce mémoire traite de la fabrication et de la caractérisation de composants en fibres optiques comportant trois ou quatre fibres. On s’intéresse plus spécifiquement aux composants permettant de retrouver de façon non ambigüe l’amplitude et la phase d’une onde par rapport à une référence connue. Ce type de composant est souvent nommé hybride optique. Les composants à trois fibres placées en triangle sont étudiés de façon théorique pour réaliser un hybride optique, fabriqués, puis caractérisés en transmission et en phase. Les composants à quatre fibres placées en carré sont également étudiés théoriquement pour réaliser un hybride optique, puis fabriqués et caractérisés en transmission et en phase. L’objectif de ce mémoire est, dans un premier temps, de montrer qu’il est possible de réaliser des hybrides optiques avec les structures tout-fibre proposées. Dans un deuxième temps, des prototypes d’hybrides ont été réalisés et leurs caractéristiques évaluées et comparées à celles d’hybrides optiques idéaux, soit l’équipartition des signaux de sortie et les relations de phases spécifiques entre eux. Les prototypes d’hybrides sont fabriqués avec la méthode par fusion-étirage de fibres et la source de chaleur employée est une flamme à base de propane. Cette méthode est privilégiée car elle s’est avérée efficace et reproductible pour réaliser des coupleurs en fibres optiques. Ce procédé permet de contrôler les paramètres expérimentaux et peut ainsi s’adapter aux composants à plusieurs fibres. Les coupleurs à trois fibres réalisés ont une transmission totale en longueur d’onde de 85 % (-0,7 dB), le croisement est typiquement situé autour de 1 550 nm avec une transmission de 33 % (-4 dB) par branche. De plus, les phases relatives entre les signaux de sortie sont de 120 9°. Les coupleurs à quatre fibres réalisés ont une transmission de 89 % (-0,5 dB) avec un croisement typiquement situé autour de 1 550 nm avec une transmission autour de 25 % (-6 dB) sur chaque branche. Enfin, les phases relatives entre les signaux de sortie sont de 90 3°. Les applications possibles de tels composants sont dans le domaine de la détection cohérente.En télécommunications, il est intéressant de procéder au décodage de l’information de façon optique. Puisque dans certains systèmes actuels l’information est encodée en phase («Phase-Shift Keying»), il faut, pour effectuer le décodage, être en mesure de détecter sans ambiguïté la phase du signal, ce que l’hybride permet de faire. Étant donné que les composants sont réalisés dans des fibres standards, ils sont compatibles avec les montages fibrés et les appareils courants. Une autre application possible est en imagerie biomédicale avec des techniques de tomo----------Abstract In this thesis, we present the fabrication and characterization of optical hybrids made of all fibre 3 x 3 and 4 x 4 couplers. The three-fibre components are made with a triangular cross section, while the four-fibre components are made with a square cross section. All of these couplers have to exhibit equipartition of output amplitudes and specific relative phases of the output signals to be referred to as optical hybrids. These two types of couplers are first modelled to determine the appropriate set of experimental parameters to make hybrids out of them. The prototypes are made in standard telecommunication fibres and then characterized to quantify the performances in transmission and in phase. The objectives of this work is first to model the behaviour and physical properties of 3 x 3 and 4 x 4 couplers to make sure they can meet the requirements of optical hybrids with an appropriate set of fabrication parameters. The next step is to make prototypes of these 3 x 3 and 4 x 4 couplers and test their behaviour to check how they fulfill the requirements of optical hybrids. The experimental set-up selected is based on the fusion-tapering technique to make optical fibre components. The heat source is a micro-torch fuelled with a gas mix including propane and oxygen. This type of set-up gives the required freedom to adjust experimental parameters to suit both 3 x 3 and 4 x 4 couplers. The versatility of the set-up is also an advantage towards a repeatable and stable process to fuse and taper the different structures. The fabricated triangular-shape couplers have a total transmission of 85 % (-0,7 dB), the crossing is typically located around 1 550 nm with a transmission of around 33 % (-4 dB) per branch. In addition, the relative phases between the output signals are 1209°. The fabricated square-shape couplers have a total transmission of 89 % (-0,5 dB) with a crossing around 1 550 nm and a transmission around 25 % (-6 dB) per branch. The relative phases between the output signals are 90 3°. As standard telecommunications fibres are used to make the couplers, the prototypes are compatible with all standard fibered set-ups and benches. The properties of optical hybrids are very interesting in coherent detection, where an unambiguous phase measurement is desired. For instance, some standard telecommunication systems use phase-shift keying (PSK), which means information is encoded in the phase of the electromagnetic wave. An all-optical decoding of signal is possible using optical hybrids. Another application is in biomedical imaging with techniques such as optical coherence tomography (OCT), or to a more general extend, profilometry systems. In state-of-the-art techniques, a conventional interferometer combined with Fourier analysis only gives absolut

Tri-modal microscope for head and neck tissue identification

A novel tri-modal microscope combining optical coherence tomography (OCT), spectrally encoded confocal microscopy (SECM) and fluorescence imaging is presented. This system aims at providing a tool for rapid identification of head and neck tissues during thyroid surgery. The development of a dual-wavelength polygon-based swept laser allows for synchronized, co-registered and simultaneous imaging with all three modalities. Further ameliorations towards miniaturization include a custom lens for optimal compromise between orthogonal imaging geometries as well as a double-clad fiber coupler for increased throughput. Image quality and co-registration is demonstrated on freshly excised swine head and neck tissue samples to illustrate the complementarity of the techniques for identifying signature cellular and structural features