Spatial filtering for flood illumination ophthalmoscope

Filtrage spatial pour ophtalmoscope plein champ La transparence de l’œil permet d’observer la rétine de manière non-invasive par des moyens optiques, dans le but d’établir un diagnostic précoce de maladies rétiniennes et neurodégénératives. Malgré leur capacité à atteindre la résolution cellulaire (μm) avec l’optique adaptative (AO), les ophtalmoscopes actuels sont soumis à de multiples contraintes. Les mouvements oculaires imposent une imagerie haute cadence et la diffusion multiple altère la visibilité des structures rétiniennes. Cette thèse porte sur l’imagerie haute résolution, haut contraste, haute cadence (sans distorsion) de la rétine. La stratégie adoptée consiste à exploiter la haute cadence d’imagerie des ophtalmoscopes plein champ («flood illumination ophtalmoscopes», FIO), qui détectent la lumière rétrodiffusée par la rétine sur l’ensemble du champ de vue. Pour minimiser la diffusion multiple, nous nous inspirons du filtrage spatial du signal multidiffusé, réalisé par le trou confocal de détection des microscopes confocaux à balayage. Notons que la vitesse de reconstruction du champ de vue par balayage est limitée et rend ces systèmes sensibles aux artefacts de distorsion dus aux mouvements oculaires. Ainsi, nous avons choisi d’intégrer des degrés intermédiaires de filtrage spatial à un AO-FIO en implémentant un module de projection de motifs d’illumination, qui utilise une matrice de micro-miroirs (DMD). Ce module exploite l’optique adaptative de l’AO-FIO pour assurer la projection de motifs haute résolution (à la limite de diffraction) sur une région donnée d’une couche spécifique de la rétine. Projeter séquentiellement des motifs d’illumination complémentaires, couvrant chacun une partie du champ, nous a permis de réaliser un filtrage spatial digital pour imager les structures réfléchissantes (imagerie en champ clair) ou pour révéler (par contraste de phase) les structures faiblement réfléchissantes (imagerie en champ sombre). Associer à cette démarche des travaux de simulation de la diffusion et de la réfraction de la lumière dans la rétine (Monte Carlo), m’a permis de définir des conditions de filtrage offrant un contraste d’imagerie champ clair, proche de celui des systèmes confocaux, pour une cadence d’imagerie au moins 1000 fois plus rapide que ces derniers. J’ai pu concevoir et intégrer à l’AO-FIO un module d’imagerie qui applique ces conditions de filtrage, en utilisant une illumination ligne dont le balayage est synchronisé au rolling shutter d’une caméra. Ce système permet d’imager la rétine à une cadence de 200 Hz (vitesse d’imagerie du système plein champ), sur un champ de 1, 2 mm x 0, 7 mm. Nous avons pu obtenir des images hautement contrastées des photorécepteurs (PR), vaisseaux et fibres, en imagerie champ clair. Un mode d’imagerie champ sombre nous a aussi permis de révéler des structures faiblement réfléchissantes, habituellement invisibles avec les systèmes plein champ comme les parois des vaisseaux, les capillaires et les globules rouges. La capacité à projeter des motifs haute résolution avec le DMD s’est révélée essentielle dans le cadre de deux collaborations. La première porte sur le diagnostic précoce de la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). Dans le cadre de cette collaboration avec l’Institut de la Vision, des tests d’acuité visuelle ont été projetés sur la rétine des participants pendant que leurs mouvements oculaires ont été mesurés à une cadence de 800 Hz. Les premiers résultats de cette étude ont mis en évidence l’existence de biomarqueurs de la DMLA chez les sujets montrant des signes précoces de cette maladie. Le deuxième projet concerne l’utilisation de la technique de microscopie par illumination structurée (SIM) à l’imagerie de la rétine in-vivo. Des motifs de franges à la fréquence de modulation proche de la limite de diffraction ont été projetés sur la couche des PR. Les images reconstruites ont mis en évidence le gain en sectionnement optique et résolution apportés par la SIM.