demande CDE 2017_OPTIMAG_RIVET_francais

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Titre
Polarimètre de Mueller spectroscopique ultra-rapide : application au diagnostic médical
Contexte
Le domaine de l’optique biomédicale et plus généralement de la biophotonique connaît un essor exceptionnel depuis une
quinzaine d’années. En témoigne la croissance exponentielle des publications dans le domaine et le développement actuel du
marché de la biophotonique dans le monde, en passe de supplanter celui des télécommunications optiques, et qui pourrait
atteindre les 100 G$ à l’horizon 2018. C’est dans ce contexte à la fois dynamique et concurrentiel que l’équipe Optique du
Laboratoire OPTIMAG développe des méthodes d’imagerie optiques innovantes en vue d’applications biomédicales, en
partenariat avec des biologistes et des médecins. L’équipe est notamment reconnue dans le domaine de la polarimétrie de
Mueller ultra-rapide développée au cours des thèses de Matthieu DUBREUIL puis d’Aymeric LE GRATIET et co-encadrées par
Sylvain RIVET.
Cette compétence unique a permis à Sylvain RIVET d’obtenir en 2014 une bourse Marie-Curie IEF pour développer
pendant deux ans, au sein du laboratoire AOG (University of Kent, GB), des techniques de tomographie optique cohérente
(OCT) mettant en œuvre des effets polarisation et des traitements du signal originaux. En effet, le polarimètre ultra-rapide est
similaire à l’OCT dans son approche (codage spectral) et cette forte similitude permet d’utiliser des concepts du polarimètre
ultra-rapide en OCT et vice versa. Le polarimètre ultra-rapide a déjà fait ses preuves dans la détection et la quantification de la
fibrose du foie mais il pourrait être encore plus discriminant si on lui associait une dimension spectrale et des métriques
associées à l’uniformité de la dépolarisation comme en OCT. En effet la connaissance de la matrice de Mueller (qui contient
toute l’information polarimétrique du milieu) en fonction de la longueur d’onde permet de mesurer séparément l’absorption
spectrale indépendamment de la dépolarisation spectrale, ce qui ne peut pas être fait en OCT du fait du caractère cohérent de
la technique. L’absorption spectrale peut être utilisée pour évaluer le taux d’oxygénation du sang qui alimente la zone
cancéreuse, ce qui signe l’activité de celle-ci. La dépolarisation renseigne quant à elle sur la taille des diffuseurs,
l’inhomogénéité de leurs tailles, qui constituent des paramètres importants en vue de la discrimination entre le tissu sain et
pathologique. Enfin l’étude de l’uniformité spatiale de la dépolarisation est aussi un paramètre important qui peut renseigner sur
l’échelle du désordre.
Objectifs identifiés
Le premier objectif sera de développer un polarimètre de Mueller spectroscopique imageur ultra-rapide capable de mesurer les
propriétés polarimétriques en fonction de la longueur d’onde, et ceci en temps réel. Pour ce faire, la source utilisée sera un
supercontinuum généré par une fibre optique micro-structurée dans laquelle se propage une impulsion femtoseconde. Le
détecteur sera un spectromètre opérant à la cadence de 100 kHz.
Le deuxième objectif sera d’étudier des coupes histologiques de foie, de peau et de poumon humains en
transmission et de confronter les mesures polarimétriques et spectrales au diagnostic histopathologique réalisé par un
spécialiste.
Le troisième objectif sera de confronter les mesures avec celles obtenues en spectroscopie de masse afin d’identifier
les molécules signant la zone pathologique.
Le quatrième objectif sera de déporter la mesure polarimétrique et pouvoir faire des mesures in vivo.

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Caractère novateur
L’équipe Optique d’OPTIMAG est actuellement la seule équipe au monde à disposer du savoir-faire en polarimétrie de Mueller
instantanée.
Grace à l’expérience acquise à l’université du Kent (UK) par le porteur du projet, le polarimètre de Mueller ultra-rapide
va pouvoir évoluer vers un outil spectroscopique unique et déporté. L’analyse croisée des échantillons biologiques en
spectroscopie de masse et en spectro-polarimétrie est également un atout et va permettre d’initier des collaborations futures au
sein de l’IBSAM.
3 publications du (des)
porteur(s) de projet dans le
domaine sur les 5 dernières
années
[1] A. Le Gratiet, M. Dubreuil, S. Rivet and Y. Le Grand, « Scanning Mueller polarimetric microscopy, » Optics Letters 41(18),
4336-4339 (2016)
[2] A. Le Gratiet, S. Rivet, M. Dubreuil, Y. Le Grand, « 100 kHz Mueller polarimeter in reflection configuraton, » Optics Letters
40(4), 645-648 (2015)
[3] M. Dubreuil, P. Babilotte, L. Martin, D. Sevrain, S. Rivet, Y. Le Grand, G. Le Brun, B. Turlin, B. Le Jeune, « Mueller matrix
polarimetry for improved liver fibrosis diagnosis, »Optics Letters (2012)
Collaborations nationales
et internationales
Cette thèse s'appuiera sur :
* deux collaborations locales:
- Arnaud Uguen, (UMR 1078 Genetics, functional genomics and biotechnology), pour les coupes histologiques et
l’expertise médicale.
- Antony Membeuf pour la spectroscopie de masse (UMR CEMCA).
* trois collaborations internationales:
- le laboratoire de chimie analytique, Palacky University (République tchèque) pour l’imagerie en spectroscopie de
masse et les coupes histologiques (poumons, peau).
- le laboratoire de Nottingham Digestive Diseases Centre de l'université de Nottingham (UK) pour la fibrose du foie.
- le laboratoire Applied Optics Group de l’Université du Kent (UK) spécialisé en tomographie optique cohérente
(OCT), et en particulier à l'OCT spectroscopique, pour les solutions technologiques associées à la mesure déportée et in vivo.
Retombées
Les applications principales de la spectro-polarimétrie de Mueller concernent les problématiques liées au diagnostic et à la
compréhension de pathologies comme la fibrose et le cancer. Dans le cas du cancer, on observe une augmentation de la
densité cellulaire et de la vascularisation, ainsi qu’une déstructuration du tissu à l’échelle cellulaire. La lumière polarisée est
sensible à ces modifications. L’information polarimétrique et spectrale permettra d’augmenter la sensibilité de la technique pour
le diagnostic précoce du cancer. Actuellement, il n’existe pas de polarimètre de Mueller spectral ultra-rapide permettant
d’envisager une utilisation de l’instrument en clinique. Ce développement instrumental permettra de lever ce verrou et pourra
avoir un impact dans l’amélioration du diagnostic des cancers de la peau, du foie, du colon et de l’utérus.
Le spectro-polarimétre pourra également avoir des retombées dans le domaine de la caractérisation de matériaux
hétérogènes de type cristaux liquides ou couches minces, actuellement caractérisés par des techniques d’ellipsométrie qui
fournissent une information incomplète par rapport à celle donnée par la spectro-polarimétrie de Mueller.