Imagerie in vivo d’empreintes digitales et problématiques

L’utilisation des empreintes digitales pour l’identification d’individus est un procédé aujour-d’hui courant, mettant en évidence les traces papillaires présentes à la surface de l’épiderme du doigt. Ces dessins papillaires superficiels sont la projection du motif présent à quelques centaines de micromètres de profondeur en superficie du derme qui est, quant à lui, quasiment inaltérable du fait de sa profondeur. Ils sont constitués de crêtes et de vallées qui sont les éléments carac-téristiques et permettent l’identification (voir Fig. 4.14).

Figure 4.14 – Schéma d’une empreinte digitale (issu de "http ://www.griaulebiometrics.com/en-us/book/understanding-biometrics/types/description") mettant en évidence la structure des traces papillaires constituées de crêtes et de vallées dont les caractéristiques sont des éléments principaux de l’identification.

Une image tomographique des empreintes digitales en profondeur, révélant les deux couches contenant les traces papillaires, permettrait une identification difficile à falsifier et donc particu-lièrement adaptée à des identifications de type biométrique. La précision de cette identification sera alors reliée au nombre de points caractéristiques dont dispose l’utilisateur. Il est considéré

4.5. Applications à l’imagerie d’amplitude

∼ 17mm × 17mm. Une résolution latérale supérieure à 20µm est également préférable afin de favoriser les mesures. La profondeur de la couche proche du derme et contenant l’information étant de ∼ 300µm chez l’adulte, l’imagerie optique et en particulier l’OCT apparaissent comme des techniques adaptées à ce type d’imagerie.

L’imagerie digitales en OCT

Plusieurs montages d’OCT, dans le domaine fréquentiel [Dub07, Ada13] ou temporel [Wat08] ont été appliqués à l’imagerie en profondeur des empreintes digitales in vivo. Une représentation en coupe transverse de traces papillaires adultes (voir Fig. 4.15a) met en évidence la présence des deux couches, à la surface de l’épiderme et du derme, qui contiennent l’information d’iden-tification, alors que les images en-face (voir Fig. 4.15b) (dont l’acquisition en illumination plein champ est plus rapide) révèlent l’architecture du motif de ces traces papillaires.

(a) Coupe transverse d’une image OCT d’un doigt. Le champ observé est de 8 mm latéralement et 1 mm en profondeur [Ada13].

(b) Vue de dessus d’une représentation 3D d’une image de doigt acquise en OCT [Ohb11].

Figure 4.15 – Image d’empreintes digitales acquises avec des systèmes OCT. La coupe trans-verse (a) illustre la répétition du motif à la surface du derme ainsi que la présence de canaux sudoripares sécrétant la sueur. L’image en-face (b) permet l’étude de la structure des traces papillaire à partir du motif en deux dimensions.

Les systèmes d’OCT plein jusqu’ici mis en œuvre possèdent généralement un champ infé-rieur à celui recommandé pour parfaire la qualité de l’identification et il est donc nécessaire de développer un montage capable de réaliser des images avec un champ de vision élargi.

Enjeux liés à l’imagerie in vivo en OCT plein champ

L’avantage principal de l’OCT plein champ, destiné à l’imagerie des traces papillaires sur un large champ, réside dans le fait que cette technique n’utilise pas de balayage latéral et détecte des images en-face dont la vitesse d’acquisition ne dépend pas de la dimension du champ de vision, ce qui n’est pas le cas en OCT fréquentiel (pour une résolution latérale fixée). Le seul balayage employé est une translation longitudinale, mais ce dernier peut être adapté et accéléré si l’on étudie un échantillon précis, comme c’est le cas pour l’imagerie d’empreintes digitales.

En effet, on peut utiliser un pas micrométrique non constant et ne sélectionner que certaines zones de l’échantillon à imager. Cela reste sans conséquence si l’information utile n’est contenue que dans certaines structures dont la profondeur est préalablement connue. Un échantillon, constitué de plusieurs couches dont on connaît a priori les épaisseurs et dont seul le signal issu des interfaces est pertinent, en est un exemple. En FD-OCT, qui est la méthode d’OCT à balayage

la plus utilisée, il n’est pas possible de faire varier aisément le balayage axial puisque celui-ci dépend de l’échantillonnage en longueur d’onde de la source (SS-OCT) ou du spectromètre (SD-OCT). Puisque nous sommes intéressés principalement par le profil de deux couches séparées de ∼ 300µm lors de l’imagerie du doigt humain, un gain important en vitesse serait atteint en concentrant les images acquises uniquement au voisinage de ces deux zones. Néanmoins cela nécessite que les couches soient planes et donc que la surface du doigt soit aplanie sur toute la surface observée correspondant au champ de vision du système. Un moyen simple de garantir cela est l’emploi d’un support transparent, tel qu’une lame de verre, afin d’assurer l’appui du doigt contre ce dernier.

Un troisième avantage, qui justifie le développement d’un dispositif d’OCT plein champ pour l’imagerie des empreintes digitales, est le coût réduit du montage final qui n’emploierait qu’un seul objectif de microscope et une lampe halogène comme source de lumière, dont le prix est bas comparé à une source laser employée en OCT spectral.

Il est primordial pour réaliser des images d’échantillons in vivo que la vitesse d’exécution du système soit maximisée afin de se prémunir des artefacts de mesures liés aux mouvements et vibrations de l’échantillon ou même du montage global. Une fréquence d’acquisition d’une image (en-face, i.e. 4 images interférométriques déphasées multipliées par le nombre d’accumulations) au moins supérieure à 10Hz est alors estimée nécessaire.

Outre la réduction des balayages, la façon de déplacer la surface de référence est une nouvelle fois à prendre en compte afin d’adapter les performances du système en fonction des objectifs de vitesse définis. Une vibration pas à pas de la platine piézoélectrique contrôlant le déplacement de la surface de référence étant rejetée, compte tenu de la lenteur de cette méthode sujette à une instabilité de la position finale de la platine, on se tourne donc vers un algorithme basé sur un déplacement continu.

Plutôt que d’utiliser une translation linéaire comme c’était le cas pour les images d’échan-tillons ex vivo, on privilégiera ici un algorithme considérant une oscillation sinusoïdale, qu’on a déjà présenté en détail dans le deuxième chapitre de ce manuscrit. On rappelle qu’elle est indé-pendante de l’ordre des images tomographiques acquises, contrairement aux autres techniques à oscillation continue, et garantit donc une vitesse d’exécution plus importante. Néanmoins, l’iner-tie de l’objet de référence devra être prise en compte afin de favoriser la précision du mouvement oscillatoire à haute fréquence. Si une surface de référence dont le coefficient de réflexion proche de 4% est requis, une lame légère en acrylique sera ainsi mieux adaptée qu’une lame de verre en BK7. Une surface en silicium pouvant être très fine, elle constituera une option appropriée si une surface de référence réfléchissant davantage la lumière est avantageuse.

Une troisième caractéristique décisive est bien sûr la fréquence d’acquisition du détecteur. Celui que nous utilisons, et dont les caractéristiques sont explicitées au début de ce chapitre, possède une fréquence de fonctionnement maximale de 140Hz si l’on utilise l’ensemble des 1024 × 1024 pixels. Cela signifie que si 5 images sont accumulées la fréquence d’acquisition d’une image en-face vaut 7Hz, et même seulement 3,5Hz pour 10 images accumulées. Cela ne permettant pas d’atteindre des résultats convaincants, on décide de réduire le nombre de pixels utilisés par la