Contexte et objectifs de l’étude
1.3 But et objectifs des travaux de thèse : Problématiques
Notre travail de thèse s’inscrit dans la continuité des travaux réalisés au laboratoire, en par-ticulier par [Chalau, 2004] en diffusion élastique, par [Ybarra, 1999] en autofluorescence sur la peau et par [Péry, 2007] en spectroscopie fibrée bimodale (mono-AF et RD). Le travail de [Péry, 2007] a été consacré à la caractérisation de tissus biologiques in vivo, en particulier les tissus sains et tumoraux dans la vessie.
Dans cette partie, nous rappelons les problématiques cliniques motivant notre étude et expo-sons les objectifs de nos travaux, les verrous techniques et méthodologiques liés au développement et à la validation expérimentale d’une méthode de diagnostique tissulaire par spectroscopie bimo-dale en multi-excitation d’AF et en RD résolue spatialement et son application pour la détection de lésions cancéreusesin vivo.
Les objectifs spécifiques de nos travaux concernent trois axes principaux :
– l’instrumentation, (conception, développement, mise au point, caractérisation métrolo-gique),
– la mise en place d’un protocole expérimental pré-clinique pour la validation in vivo, – le traitement des données spectroscopiques(prétraitements, extraction/sélection de
caractéristiques) en vue d’une classification automatique des types de tissus.
1.3.1 Développement instrumental
Notre objectif est de concevoir et développer un nouveau dispositif instrumental adapté aux mesuresin vivo (sur la peau) et capable de réaliser des mesures spectroscopiques résolues spatia-lement en multi-excitation d’autofluorescence et en réflectance diffuse. Cet instrument fibré doit permettre d’acquérir dans un temps raisonnable (< 1 min) plusieurs émissions spectrales tissu-laires colocalisées. Après avoir établi le type d’instrument à développer, plusieurs problèmes sont envisagés : d’abord la génération des multiples excitations pour l’autofluorescence et la diffusion élastique puis l’acquisition colocalisée des spectres sur un même site, et les caractéristiques de la sonde à fibres optiques.
Plus précisément, le système développé doit pouvoir :
– fournir différentes excitations en bande étroite dans la gamme spectrale UV-Visible (spé-cifiquement entre 350 et 450 nm) pour l’autofluorescence et une excitation à large bande en lumière blanche (entre 350 et 800 nm) pour la diffusion élastique,
– permettre une mesure colocalisée spatialement des spectres d’autofluorescence et de diffu-sion élastique,
– acquérir simultanément les spectres de fluorescence endogène et de diffusion élastique cor-respondant à différentes distances entre une fibre d’excitation et plusieurs fibres de récep-tion, et
– gérer de façon automatique la synchronisation entre les différentes excitations et acquisi-tions des émissions spectrales.
Pour concevoir et développer une nouvelle instrumentation adaptée à l’étude prévue, la pre-mière phase consiste à évaluer l’instrumentation pré-existante dans le laboratoire afin d’analyser les optimisations à réaliser ou les éléments utilisables. La seconde étape vise à réfléchir sur la
conception des parties manquantes pour le nouveau système instrumental et finalement son dé-veloppement, sa réalisation et son automatisation.
Suite au développement de l’instrumentation, une méthode de calibrage devra être établie afin de réaliser/obtenir des mesures spectroscopiques répétables et comparables en corrigeant ou compensant notamment les variations ou perturbations sur les mesures dues aux composants optiques et électroniques de l’instrumentation développée.
Le chapitre 2 décrit l’étude instrumentale menée et le développement du dispositif, prenant en compte les différentes contraintes techniques, technologiques et de calibrage rencontrées.
1.3.2 Protocole expérimental et validation pré-clinique
L’évaluation pré-clinique de la capacité de la spectroscopie pour la détectionin vivo des états précancéreux de peau pose la difficulté de suivre des étapes précoces de cancérogenèse identifiées ou identifiables d’un point de vue histo-pathologique. Le modèle animal est en l’occurrence le seul moyen d’obtenir des prélèvements de tissu à chaque étape de la cancérogenèse. Les contraintes à résoudre sont que le modèle animal doit être proche de l’histologie humaine, et que la méthode d’induction tumorale soit aussi proche que possible de l’étiologie humaine.
La définition des critères de choix et la solution mise en œuvre d’un modèle animal tumoral adapté aux besoins du protocole envisagé (histologie, mode d’induction des tumeurs, étiologie), pour l’identification d’états sains, hyperplasiques et dysplasiques est détaillée au chapitre 3.
1.3.3 Traitement des données
Notre objectif final est de développer et valider une méthode automatique de classifica-tion/évaluation des états précancéreux de la peau (sains, hyperplasique et dysplasiques) tels que définis précédemment à partir du prétraitement des spectres et du traitement des données spectroscopiques acquises. Cette méthode doit être capable de traiter un grand volume de don-nées et d’extraire les combinaisons de dondon-nées, fournies par les deux types de spectroscopie (autofluorescence et diffusion élastique), les plus performantes pour discriminer les états pré-cancéreux définis. Le prétraitement des données spectroscopiques vise à rendre manipulables et comparables tous les spectres collectés quelque soient les conditions d’acquisition. Il inclut les étapes de filtrage, de normalisation et de correction notamment.
La méthode de traitement comprend l’extraction, la sélection et la classification de caracté-ristiques les plus discriminantes pour les différentes classes histologiques définies.
Après étude bibliographique des différents algorithmes de prétraitement, d’extraction, de sé-lection, de réduction et de classification existants et utilisés, nous présentons dans le chapitre 4 le choix des techniques adaptées à nos besoins, le développement et l’évaluation des algorithmes en utilisant plusieurs combinaisons des différentes émissions en autofluorescence et en réflectance diffuse en fonction des longueurs d’onde et des distances, et l’évaluation de plusieurs techniques de classification en visant à améliorer l’efficacité de la méthode diagnostique en termes de Sen-sibilité et de Spécificité.