R Flectance R Solue Dans Le Temps Et Dans L Espace Appliqu E L Tude Des Propri T E Optiques De Milieux Diffusants
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Réflectance résolue dans le temps et dans l'espace appliquée à l'étude des propriétée optiques de milieux diffusants
La mesure des coefficients optiques des tissus biologiques peut être d'une grande utilité pour la mise au point de nouvelles méthodes de diagnostic optique dans le domaine médical. L'objectif de ce travail est la détermination des coefficients optiques d'un milieu diffusant par l'analyse résolue dans l'espace et dans le temps de la lumière rétrodiffusée par ce milieu. Le temps de transit de la lumière dans ces milieux est de l'ordre de quelques centaines de picosecondes, et une résolution de l'ordre de la picoseconde est nécessaire pour la génération des impulsions qui vont être envoyées sur le milieu ainsi que pour leur détection. Une première partie de ce travail de thèse a donc consisté en la réalisation d'un laser titane-saphir à blocage de modes, émettant des impulsions d'une centaine de femtosecondes dans l'infrarouge proche. Des fonctions de réflectances ont ensuite été mesurées, à l'aide de ce laser ainsi que d'une camera à balayage de fente utilisée pour la détection. Les échantillons étaient des tissus biologiques et des milieux artificiels aux propriétés optiques calibrées. Les mesures expérimentales ont été analysées sur la base de la théorie du transfert radiatif. Un travail théorique a été réalisé pour justifier l'usage de la théorie du transfert radiatif pour la description de la propagation de l'énergie diffuse dans les tissus biologiques.
Réflectance résolue dans le temps et dans l'espace appliquée à l'étude de milieux stratifiés, résultats préliminaires sur des phantoms optiques de tissus biologiques
LA SPECTROSCOPIE DE REFLECTANCE RESOLUE DANS LE TEMPS ET DANS L'ESPACE CONSISTE A ENVOYER SUR LA SURFACE D'UN TISSU BIOLOGIQUE DES IMPULSIONS LASERS FEMTOSECONDES ET A ANALYSER LE PROFIL TEMPOREL DU PULSE RETRODIFFUSE, PULSE ELARGI ET ATTENUE PAR LA DIFFUSION ET L'ABSORPTION QUI SE SONT PRODUITES DANS LE TISSU. AFIN D'ETUDIER DES MILIEUX STRATIFIES, NOUS AVONS SYNTHETISE DES PHANTOMS OPTIQUES LIQUIDES ET SOLIDES POSSEDANT LES MEMES PROPRIETES OPTIQUES D'ABSORPTION ET DE DIFFUSION QUE LES TISSUS BIOLOGIQUES A UNE LONGUEUR D'ONDE DONNEE, EN MELANGEANT UN MATERIAU PUREMENT DIFFUSANT AVEC UN MATERIAU PUREMENT ABSORBANT. POUR LA SIMULATION DU COEFFICIENT DE DIFFUSION, IL EST TRES IMPORTANT DE TENIR COMPTE DE LA CONCENTRATION DES DIFFUSEURS PRESENTS DANS LE MILIEU. NOUS AVONS VERIFIE EXPERIMENTALEMENT QUE L'ATTENUATION D'UN FAISCEAU COHERENT EST UNE FONCTION LINEAIRE DE LA LONGUEUR PARCOURUE DANS LE MILIEU DIFFUSANT. NOUS MONTRONS AUSSI QUE L'EXTINCTION A UN COMPORTEMENT QUADRATIQUE EN FONCTION DE LA DENSITE DE PARTICULES DIFFUSANTES. NOUS DEMONTRONS QU'UNE FONCTION DE PHASE D'UN ENSEMBLE DE SPHERES DONT LES DIFFERENTS DIAMETRES SONT DISTRIBUES CONTINUMENT SUIVANT UNE LOI FRACTALE, EST EQUIVALENTE A UNE FONCTION DE PHASE D'UN TISSU BIOLOGIQUE. LA REALISATION PRATIQUE D'UN TEL PHANTOM NE POUVANT SE FAIRE QU'A PARTIR D'UN NOMBRE FINI DE TAILLES, NOUS DECRIVONS UNE APPROCHE SIMPLE BASEE SUR LA CONNAISSANCE DE LA DISTRIBUTION FRACTALE PERMETTANT DE DETERMINER LES CONCENTRATIONS DES DIFFERENTES TAILLES DE SPHERES. NOUS AVONS MESURE LA LUMIERE RETRODIFFUSEE PAR DES MILIEUX STRATIFIES (COUCHE LIQUIDE SUR PHANTOM SOLIDE). CES MESURES NOUS ONT PERMIS DE CERNER LES INFORMATIONS QUE LA RESOLUTION EN TEMPS ET EN ESPACE POUVAIT APPORTER AU PROBLEME MULTICOUCHES. NOUS AVONS AUSSI ETUDIE LA POSSIBILITE DE DETERMINER LE COEFFICIENT D'ANISOTROPIE DE DIFFUSION G D'UN TISSU A PARTIR DE LA REFLECTANCE RESOLUE EN TEMPS ET EN ESPACE D'UN MILIEU HOMOGENE. NOUS PRESENTONS ENFIN LA PREMIERE DEMONSTRATION EXPERIMENTALE DE L'INFLUENCE DE LA FONCTION DE PHASE SUR LA REFLECTANCE RESOLUE EN TEMPS ET EN ESPACE. CES RESULTATS EXPERIMENTAUX SONT TOUS COMPARES A DES SIMULATIONS DE MONTE-CARLO.
Mesure des propriétés optiques de milieux diffusants stratifiés par l'analyse de la rétrodiffusion d'impulsions infrarouges sub-picosecondes
[Résumé français] Cette thèse dont l'objectif est de développer une nouvelle méthode de diagnostic médical, repose sur l'étude fondamentale de la propagation de la lumière dans un milieu diffusant connu (problème direct) et sur la mise au point de méthodes permettant d'extraire l'information contenue dans la lumière qui a traversé un milieu inconnu (problème inverse). Nous avons développé un nouveau modèle analytique permettant d'accélérer le calcul du problème direct dans la procédure d'optimisation utilisée dans le problème inverse pour simuler les résultats expérimentaux. Cette méthode a été validée avec des simulations numériques de Monte Carlo portant sur des milieux stratifiés. Les résultats obtenus sont très satisfaisants. Parallèlement à cette étude théorique, nous avons mis en oeuvre des expériences sur des milieux artificiels réalisés au laboratoire : des impulsions laser (100 fs) sont envoyées sur des milieux stratifiés se rapprochant des milieux biologiques et une caméra à balayage de fente permet de suivre l'évolution temporelle du signal rétrodiffusé. Ce détecteur s'est cependant révélé comme étant un instrument difficile à utiliser pour ce type d'applications : sa synchronisation et sa calibration sont délicates. De plus sa dynamique n'est pas très grande. Malgré tout, nous sommes parvenus à obtenir des résultats corrects sur des milieux semi-infinis ainsi que sur des milieux à deux couches. En conclusion, nous avons démontré que l'étude du comportement spatio-temporel de la lumière rétrodiffusée par des milieux diffusants stratifiés permettait d'extraire des paramètres importants pour le diagnostic médical tels que l'épaisseur des couches, les coefficients d'absorption ou /et de diffusion. Une méthode expérimentale plus souple et plus prometteuse, devra cependant être substituée à celle que nous avons étudiée. Le "balayage de cohérence" récemment mis en oeuvre au laboratoire apportera peut être une solution à ce problème.