Jessica JAROSZ Vers la conception d`un syst`eme d`optique

TH` ESE DE DOCTORAT
DE L’UNIVERSIT´ E PIERRE ET MARIE CURIE
Sp´ecialit´e : Physique
´
Ecole doctorale : Physique en ˆ Ile-de-France 
r´ealis´ee
`a ONERA – the French Aerospace Lab
Quantel Medical
pr´esent´ee par
Jessica JAROSZ
pour obtenir le grade de :
DOCTEUR DE L’UNIVERSIT´ E PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la th`ese :
Vers la conception d’un syst`eme d’optique adaptative pour la
photocoagulation laser de la r´etine
soutenue le 1er d´ecembre 2015
devant le jury compos´e de :
M. Richard LEGRAS Rapporteur
M. Thierry LEPINE Rapporteur
M. Claude BOCCARA Examinateur
Mme Marie GLANC Examinateur
M. Michel PAQUES Examinateur
M. Sylvain GIGAN Directeur
M. Serge MEIMON Co-directeur
M. Christian CHABRIER Invit´e

ii

Table des matières
Introduction 15
1 Photocoagulation laser de la rétine et perturbations oculaires 17
1.1 Généralités sur l’œil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 L’œdème maculaire : un problème de santé publique . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 Traitement de l’œdème maculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3 Limites des systèmes de photocoagulation actuels . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Maitrise de la dose laser et apport thérapeutique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Confinement de l’impact laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3 Description des perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1 Mouvements de fixation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.2 Aberrations oculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Description des aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Aberrations statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Aberrations dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Aberrations chromatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4 Maitrise des aberrations oculaires grâce à l’Optique Adaptative (OA) . . . . . . . . . . . 39
1.4.1 Principe de l’OA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
L’analyseur de surface d’onde Shack-Hartmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Le miroir déformable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
La commande et le calculateur temps réel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.4.2 Etat de l’art sur les systèmes d’OA pour l’œil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Applications de l’OA pour l’œil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Premiers systèmes d’OA pour l’œil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Vers un dimensionnement optimal des systèmes d’OA pour l’œil . . . . . . . . . 47
Systèmes de chirurgie laser assistés par OA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.4.3 Performances de l’OA pour l’œil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Budget d’erreur OA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2 Mise en place d’une étude haute résolution des aberrations dynamiques de l’œil (SCRAT1) 59
2.1 Formulation des objectifs scientifiques de l’étude SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2 Définition des spécifications de l’étude SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.1 Spécifications sur les performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Conditions de l’expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Spécifications sur la population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Spécification temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1

Spécifications spatiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2.2 Spécifications sur le système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3 Présentation du banc ARTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4 Évolutions du banc : de ARTS à SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4.1 Module Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4.2 Module Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.3 Module ASO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.4.4 Module IPUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.5 Module Œil de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.6 Module Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.7 Module Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5 Définition opto-mécanique du biomètre SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.6 Procédure d’alignement du biomètre SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.7 Présentation des outils de traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.7.1 Réduction des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.7.2 Calcul des mouvements de pupille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Précision de la méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.7.3 Reconstruction du front d’onde oculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Reconstruction modale sur une pupille circulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Reconstruction modale sur une pupille suivie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Reconstruction modale sur une sous-zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.8 Établissement du budget d’erreur d’aberrométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.9 Caractérisation des sous-systèmes et tests fonctionnels intégrés sur le biomètre SCRAT1 87
2.9.1 Caractérisation des optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.9.2 Caractérisation du module Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.9.3 Caractérisation du module IPUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.9.4 Caractérisation du module ASO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.9.5 Test sur œil réel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.10 Mise en œuvre d’une campagne de mesures sur une large population sur le biomètre
SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3 Caractérisation des perturbations oculaires et premières conséquences sur le dimensionne-
ment d’un système d’optique adaptative pour l’œil 101
3.1 Étude des mouvements pupillaires sur la population SCRAT1 et implications sur le di-
mensionnement d’un dispositif de stabilisation pupillaire : article Biomedical Optics
Express . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.1.1 Guide de lecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.1.2 Article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2 Étude des aberrations oculaires sur la population SCRAT1 et implications sur le dimen-
sionnement d’un système d’OA pour l’œil : article Biomedical Optics Express . . . . . . 113
3.2.1 Guide de lecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.2.2 Article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.2.3 Compléments sur les calculs de bruit de mesure ASO . . . . . . . . . . . . . . . 134
Reformulation des formules de bruit de Rousset . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Estimation du bruit de mesure expérimental sur la population SCRAT1 . . . . . 134
3.2.4 Compléments sur la description des aberrations dynamiques . . . . . . . . . . . 136
2

3.3 Étude de l’impact des mouvements oculaires dans la dynamique des aberrations sur la
population SCRAT1 .....................................154
3.3.1 Mise en évidence qualitative d’une corrélation entre mouvements pupillaires et
aberrations dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.3.2 Évaluation de la contribution des mouvements pupillaires dans la dynamique
des aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Impact du décentrement pupillaire sur la mesure des aberrations . . . . . . . . . 158
Retour sur les exemples du 3.3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Étude statistique sur la population SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.3.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4 Vers le dimensionnement d’un système d’optique adaptative pour la photocoagulation laser
de la rétine 169
4.1 Définition du cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.1.1 Taille de l’impact laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.1.2 Système laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.2 Étude de l’effet des aberrations oculaires sur la focalisation laser . . . . . . . . . . . . . 171
4.2.1 Retour sur le cahier des charges : focalisation à travers un œil parfait . . . . . . . 172
4.2.2 Évolution de l’extension de l’impact laser avec le niveau d’aberrations . . . . . . 174
Illustration sur un œil typique de la population SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . 174
Taille de l’impact laser sur la population SCRAT1 . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.2.3 Évolution de l’erreur de positionnement axial de l’impact laser avec le niveau de
défocus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Lien entre erreur de positionnement axial et niveau de défocus . . . . . . . . . . 177
Erreur de positionnement axial liée aux micro-accommodations du cristallin . . . 179
4.3 Premiers éléments de dimensionnement du système d’OA pour la photocoagulation laser
de la rétine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5 Réalisation d’un banc de test d’optique adaptative (SCRAT2) 183
5.1 Formulation des objectifs scientifiques du banc SCRAT2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.2 Définition des spécifications haut niveau du banc SCRAT2 . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.1 Spécifications sur les performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.2 Spécifications sur le système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Architecture globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Module Fixation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Module Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Module Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Module Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Module Contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.3 Étude de faisabilité du banc SCRAT2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.3.1 Budget d’erreur OA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.3.2 Budget de photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Puissance limite et normes de sécurité oculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Rapport signal à bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.4 Définition du banc SCRAT2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.4.1 Définition opto-mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.4.2 Module Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.4.3 Module Correction et Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3