LESIA - Observatoire de Paris

Publications

Marie Blavier — 2009-01-08T11:55:00Z

BREVETS en phase PCT (co-auteurs)

Système et procédé de tomographie in vivo à haute résolution latérale et axiale de la rétine humaine #04-00582 22/01/04

Dispositif et procédé de visée pour un examen de l'oeil, et système d'examen de l'oeil par tomographie in vivo équipé de ce dispositif #04-00581 22/01/04

Dispositif et procédé pour mesurer le contraste des franges dans un interféromètre de Michelson et système d'examen de l'oeil incluant un tel dispositif #04-00580 22/01/04

Dispositif pour compenser la biréfringence cornéenne dans un examen optique de parties de l'oeil situées au delà de la cornée, et système d'examen de l'oeil incluant un tel dispositif #04-00579 22/01/04

REVUES A COMITÉ DE LECTURE

Molodij Guillaume, Ribak Erez N., Glanc Marie, Chenegros Guillaume. Enhancing retinal images by nonlinear registration. Optics Communications, 2015, vol. 342, pp. 157-166.

Molodij Guillaume, Ribak Erez N., Glanc Marie, Chenegros G. Enhancing retinal images by extracting structural information. Optics Communications, 2014, vol. 313, pp. 321-328

Marginal blind deconvolution of adaptive optics retinal images, L. Blanco et L. M. Mugnier, Optics Express, vol. 19, n°23, pp. 23227-23239 (2011)

3D phase diversity : a myopic deconvolution method for short-exposure images. Application to retinal imaging, G. Chenegros, L. M. Mugnier, F. Lacombe, M. Glanc, J. Opt. Soc. Am. A, 24(5):1349-1357, May 2007

Study of the dynamic aberrations of the human tear film, S. Gruppetta, F. Lacombe, and P. Puget, Opt. Express 13, 7631-7636 (2005)

Towards wide-field retinal imaging with adaptive optics, M. Glanc, E. Gendron, F. Lacombe, D. Lafaille, J.-F. Le Gargasson, P. Léna, Optics Communications (2004), 225-238

Retinal imaging with adaptive optics, J.-F. Le Gargasson, M. Glanc, P. Léna, C. R. Académie des Sciences, Paris (2001), t. 2, série IV, 1131-1138

CONFERENCES, POSTERS, ACTES

Adaptive optics corrected full-field OCT for 3D retinal imaging, M. Glanc, Adaptive Optics and Wavefront Control in Microscopy and Ophthalmology, Paris, 6 October 2015

Unsupervised deconvolution and conoscopic holography in view of retinal imaging, L. Blanco, Focus On Microscopy, session Phase microscopy and interference, Singapour, 1-4 Avril 2012

Myopic deconvolution of adaptive optics retina images, L. Blanco, L. Mugnier, M. Glanc, et al., BIOS, SPIE Photonics West, Biomedical Spectroscopy Microscopy and Imaging, Proceedings of SPIE Volume : 7904, San Francisco, 22-27 janvier 2011

Emica Bruno, Meimon S., Conan Jean-Marc, Fusco Thierry, Glanc Marie. Impact of uneven pupil irradiance on Hartmann Shack measurements. Proceedings of the SPIE, 2011, vol. 7885, pp. 35.

Adding the third dimension on adaptive optics retina imager thanks to full-field optical coherence tomography, M. Blavier, L. Blanco, M. Glanc, et al., BIOS, SPIE Photonics West, Ophthalmic technologies, session Adaptive and isotropic ophthalmic imaging, San Jose, 24-29 janvier 2009

First steps toward 3D high resolution imaging using adaptive optics and full-field optical coherence tomography, L. Blanco, M. Blavier, M. Glanc, et al., First Canterbury Workshop on Optical Coherence Tomography and Adaptive Optics, Canterbury, 8-10 septembre 2008

Restauration d'images 3D en vue de l'imagerie de la rétine, L. Mugnier, G. Chenegros, M. Glanc, M. Nicolas, and F. Lacombe, Journées Recherche Industrie Optique Adaptative, 2008

First adaptive optics images with the upgraded quinze-vingts hospital retinal imager, M. Glanc, L. Blanco, L. Vabre, F. Lacombe, P. Puget, G. Rousset, G. Chenegros, L. Mugnier, M. Pâques, J.-F. Le Gargasson, A. J. Sahel, Adaptive Optics : Analysis and Methods, OSA, 2007. Conference date : June 18-20, 2007, Vancouver (Canada)

Phase estimation and retinal image restoration by 3D phase diversity, G. Chenegros, L. M. Mugnier, F. Lacombe, and M. Glanc, Adaptive Optics : Analysis and Methods, OSA, 2007. Conference date : June 18-20, 2007, Vancouver (Canada)

Study of the dynamic tear film aberrations using a curvature sensing setup, S. Gruppetta, P. Puget, F. Lacombe, Photonics west (2006)

3D deconvolution of adaptive optics corrected retinal images, G. Chenegros, L. Mugnier, M. Glanc, F. Lacombe, J.-A. Conchello, C. J. Cogswell, and T. Wilson, editors, Three-Dimensional and Multidimensional Microscopy : Image Acquisition and Processing XIII, volume 6090, Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., 2006. Conference date : Photonics West (SPIE), January 2006, San Jose, CA, USA

Direct measurements of blood cells density and velocity in retinal microvessels, F. Lacombe, M. Glanc, J.F. Le Gargasson, C. Bellmann, M. Paques, J. A. Sahel, Photonics West (SPIE) 2006

Full-Field AO-assisted OCT for high-resolution tomographic imaging of the retina, M.Glanc, D. Lafaille, F. Lacombe, L. Vabre, X. Lévecq, N. Chateau, Photonics West (SPIE) 2006

Blood flow in retinal microvessels, F. Lacombe, M. Glanc, D.Lafaille, C. Bellmann, M.Paques, J. A. Sahel, J.-F. Le Gargasson, ARVO 2005

High spatial resolution imagery and tomography of in vivo human retinas, M. Glanc, D. Lafaille, F. Lacombe, E. Gendron, P. Léna, dans F. Combes, D. Barret, T. Contini (Ed.), Société Française d'Astronomie et d'Astrophysique (sf2a), EDP Sciences 2004

High resolution in vivo imaging and tomography at a micrometer scale : a happy marriage between Astronomy and Ophthalmology, M. Glanc, D. Lafaille, C. Bellmann, F. Lacombe, ISIE 2004

Retinal imaging with adaptive optics, M. Glanc, E. Gendron, P. Léna, Engineering the eye 2002

Retinal imaging with adaptive optics, M. Glanc, E. Gendron, P. Léna, dans : F. Combes, D. Barret (Ed.), Société Française d'Astronomie et d'Astrophysique (sf2a), EDP Sciences 2002

Applications ophtalmologiques de l'optique adaptative, M. Glanc, présentation invitée, séminaire d'ophtalmologie (2001) au laboratoire de Biophysique de la Vision (Université Paris 7)

Du VLT à l'œil, M. Glanc, E. Gendron, Salon de la Physique 2000

Imagerie tridimensionnelle de l'œil in vivo à très haute résolution spatiale, M. Glanc, H. Gardette, J.-F. Le Gargasson, P. Léna, Optdiag 2000

Measurement of the eye's aberrations in vivo, M. Glanc, H. Gardette, K. Naoun, J.-F. Le Gargasson, P. Léna, dans : G.D. Love (Ed.), Adaptive Optics for Industry and Medicine, World Scientific 2000

REVUES DE VULGARISATION

L'imagerie rétinienne à haute résolution spatiale par optique adaptative et tomographie par cohérence optique plein champ, Marie Glanc et Marie Blavier, Photoniques 79 (2015) 30-33

Quand l'imagerie rétinienne devient adaptative, M. Glanc, F. Lacombe, l'Astronomie, fév. 2006

Un télescope pour voir le fond de l'œil, M. Glanc, F. Lacombe, Pour La Science, déc. 2005

L'astronomie s'empare de l'oeil, M. Glanc, F. Lacombe, Science et Vie N° 1051 avril 2005

L'astronomie entre à l'hôpital, M. Glanc, F. Lacombe, Journal du CNRS N° 183, avril 2005

L'OA et l'observatoire de Paris à l'hôpital des 15/20, M. Glanc, F. Lacombe, le magazine de l'Observatoire de Paris N°1, printemps 2005

L'exploration de l'oeil in vivo. De l'ophtalmoscope à l'optique adaptative, M. Glanc, Opto, 131 (2001), 20 – 23

THESES

Imagerie rétinienne in vivo plein champ : vers une restauration tridimensionnelle, Leonardo Blanco, janvier 2013

Restauration d'images de la rétine corrigées par optique adaptative, Guillaume Chenegros, novembre 2008

Tomographie optique cohérente et optique adaptative. Étude d'un prototype d'application à l'ophtalmologie, David Lafaille, juillet 2005

Applications ophtalmologiques de l'optique adaptative, Marie Glanc, mars 2002

Personnels impliqués au LESIA

Marie Blavier — 2009-01-08T11:54:13Z

Les acteurs du projet ŒIL au LESIA
Nom	Fonction	Tél.	Mail
Vartan Arslanyan	Mécanicien	77 32	Vartan.Arslanyan obspm.fr
Pernelle Bernardi	Ingénieur en conception optique	77 18	Pernelle.Bernardi obspm.fr
Marie Blavier	Ingénieur en optique	79 40	Marie.Blavier obspm.fr
Claude Collin	Mécanicien	77 32	Claude.Collin obspm.fr
Roderick Dembet	Ingénieur en informatique	71 78	Roderick.Dembet obspm.fr
Olivier Dupuis	Optomécanique	77 35	Olivier.Dupuis obspm.fr
Pierre Fédou	Ingénieur système	76 18	Pierre.Fedou obspm.fr
Marie Glanc	Chef de projet. Ingénieur en optique. Spécialiste de l'OA sur l'œil. A obtenu en 2001 les premières images en Europe des photorécepteurs de la rétine humaine in vivo.	75 47	Marie.Glanc obspm.fr
Pierre Léna	Professeur émérite à l'Université Paris 7, membre de l'Académie des sciences. Co-fondateur du projet ŒIL.	78 35	Pierre.Lena obspm.fr
Gérard Rousset	Professeur à l'Université Paris 7. Responsable scientifique du projet ŒIL.	75 49	Gerard.Rousset obspm.fr
Arnaud Sevin	Ingénieur en informatique	75 44	Arnaud.Sevin obspm.fr

Le projet OEIL

Marie Blavier — 2009-01-06T14:48:26Z

Depuis 1998, le LESIA s'est investi dans le projet OEIL, qui vise à la réalisation d'instruments d'imagerie tridimensionnelle de la rétine à haute résolution in vivo et in situ. Ces instruments sont basés entre autres sur la technique astronomique d'Optique Adaptative. Ils doivent apporter de nouveaux moyens d'investigation non invasifs des tissus ainsi que des outils de diagnostic précoce innovants pour différentes pathologies rétiniennes (telles que la dégénérescence maculaire liée à l'âge ou le glaucome).

Objectif

L'objectif du projet OEIL est de mettre au point un système d'imagerie tomographique in vivo de la rétine à haute résolution axiale et transverse (voir le contexte du projet). Ce système bénéficie de techniques originellement développées pour l'astronomie, comme l'Optique Adaptative (OA). Le projet ŒIL vise en particulier à combiner les performances d'imagerie en profondeur de la Tomographie par Cohérence Optique (OCT) plein champ, donnant une haute résolution axiale, avec les capacités de restauration de front d'onde de l'OA, fournissant une excellente résolution transverse.

Le projet ŒIL est basé sur deux bancs d'imagerie :

Un premier banc d'Optique Adaptative a été développé et exploité dans un environnement clinique au Centre Hospitalier National d'Ophtalmologie des Quinze-Vingts, réalisant des images 2D à haute résolution latérale de la rétine humaine in vivo.
Actuellement un banc de couplage de l'Optique Adaptative et de la Tomographie par Cohérence Optique plein champ est en cours de développement au LESIA pour l'imagerie tridimensionnelle haute résolution de la rétine.

Nature du projet

Transfert des techniques issues de l'astronomie vers le monde médical.

Développement d'un partenariat entre la recherche médicale, la physique fondamentale et la biologie.

Défis techniques

Tomographie…
- Pénétrer des tissus partiellement transparents sur au moins 300 µm
  - La mesure doit être faite dans le proche IR.
- Sélectionner une couche de quelques microns d'épaisseur
  - Le procédé tomographique doit être interférométrique (OCT).
…de la rétine…
- Mesurer des flux retrodiffusés très faibles (0,001 % de réflexion)
  - Toute réflexion parasite doit être éliminée.
… à haute résolution…
- Mesurer et compenser les aberrations géométriques
  - Une optique adaptative (OA) doit être mise en œuvre.
…in vivo
- Assurer la sécurité oculaire
  - Travailler à bas flux
- Rester insensible aux mouvements de l'œil
  - Temps de pose très brefs
Compromis nécessaire entre :
- Meilleure sensibilité (augmenter le flux ou le temps de pose)
- Meilleure compensation des aberrations (fractionner le flux disponible sur un plus grand nombre de zones de pupille)
- Instantanéité (mesure brève)

Banc de couplage OA-OCT développé au LESIA

Marie Blavier, Marie Glanc — 2008-11-14T10:09:06Z

Principe de l'OCT plein champ

La tomographie par cohérence optique est une méthode d'imagerie interférométrique à faible longueur de cohérence. L'échantillon à imager est placé dans l'un des deux bras d'un interféromètre, tandis qu'un miroir de référence est mis dans le second bras. Des interférences sont observées à la sortie de l'interféromètre entre la lumière réfléchie par la référence et celle rétrodiffusée par une couche de l'échantillon située à une profondeur précise, déterminée par l'égalité optique des longueurs des bras de l'interféromètre (à la demi-longueur de cohérence de la source près). En détectant ces interférences, une image en coupe est directement obtenue dans l'échantillon.


Principe de l'OCT, basée sur l'interférométrie à faible longueur de cohérence.: L'enveloppe des franges d'interférence (entre une référence et l'échantillon) donne directement l'image des structures de l'échantillon et permet de les localiser en profondeur, à la demi-longueur de cohérence de la source près.

Généralement, les imageurs OCT reconstruisent des coupes 2D par acquisition point par point et balayage. L'OCT plein champ consiste au contraire à acquérir les images interférométriques directement en 2D avec une caméra CCD ; les balayages transversaux en X et en Y sont donc éliminés. En balayant en profondeur par translation en Z de la référence (variation de la longueur des bras de l'interféromètre), une pile d'images en coupes à différentes profondeurs est acquise et la structure tridimensionnelle de l'échantillon est reconstruite.

Principe expérimental de reconstruction d'images tomographiques mis en place au LESIA

Pour reconstruire une coupe dans un échantillon en OCT plein champ, 4 images interférométriques déphasées de π/2 sont nécessaires.


Reconstrution d'une coupe en OCT plein champ.: A gauche : quatre images interférométriques déphasées de π/2 obtenues avec un miroir incliné comme échantillon. A droite : une coupe tomographique du miroir incliné est obtenue par combinaison de ces quatre images.

Classiquement, le moyen le plus simple est d'acquérir ces 4 images temporellement l'une après l'autre, en modulant la position du miroir de référence. Cependant, à cause des mouvements rapides de l'oeil, il faut dans le cadre du projet OEIL acquérir simultanément ces 4 images. La nouveauté de l'instrument développé au LESIA est l'utilisation de la polarisation de la lumière pour créer en sortie de l'interféromètre 4 faisceaux déphasés de π/2 simultanément détectés par la caméra CCD. Un des composants optiques utilisés est un prisme de Wollaston qui a la faculté, dans une configuration précise, de créer, à partir d'un faisceau d'entrée, deux faisceaux déviés verticalement et déphasés de π. Un cube séparateur de faisceaux et une lame quart d'onde complètent entre autres le montage pour fournir les 4 faisceaux déphasés de π/2.


Schéma simplifié de la première version du montage d'OCT plein champ seule (sans OA) développé au LESIA, dédié à l'imagerie d'échantillons fixes. Acquisition simultanée des quatre images déphasées.


La caméra CCD acquiert en une seule fois les quatre images interférométriques (ici avec un miroir pour échantillon) déphasées de π/2.

Afin d'imager la rétine à haute résolution dans les trois dimensions, le système repose sur le couplage des techniques d'OA et d'OCT plein champ, afin de bénéficier de la résolution transverse de l'OA et de la résolution axiale en profondeur de l'OCT.

Instrument d'OCT plein champ : résultats et images

Dans un premier temps, avant de coupler l'OA et l'OCT, un prototype d'OCT seule (sans OA) est développé au LESIA. Il s'agit de tester l'OCT plein champ sur un grand nombre d'échantillons de plus en plus complexes, afin de se rapprocher des conditions d'imagerie dans l'œil. Il faut pour cela mettre en place une procédure de reconstruction des coupes. En effet, la détection des interférences pour obtenir une coupe tomographique nécessite de soustraire les images interférométriques entre elles pixel à pixel. Cela requiert un recentrage subpixelique ainsi que des calibrations en intensité et en aberrations différentielles entre les images.


Banc de tomographie par cohérence optique plein champ développé au LESIA dans le cadre du projet OEIL.

Des premiers résultats ont été obtenus en reconstruisant en trois dimensions la structure d'un échantillon en forme d'escalier. Celui-ci est dans un plastique très peu réfléchissant (signal de retour faible) et présente 7 marches de 2 mm de long par 150 microns de large. La différence de hauteur entre chaque marche est de 5 µm.


Images acquises et reconstruites sur un échantillon en escalier.: En haut à gauche : une des quatre images interférométriques acquises par la caméra CCD ; toutes les marches de l'escalier sont visibles (dans le carré rouge), il n'y a pas l'information en profondeur sans traitement OCT. En haut à droite : une coupe tomographique à une profondeur donnée (reconstruite à partir des quatre images interférométriques) ; on y voit la marche dont la profondeur est à l'égalité optique entre les bras de l'interféromètre, ainsi que les deux marches voisines de part et d'autre, plus faibles, dont la profondeur est dans la longeur de cohérence de la source. En bas : recontruction en 3D de l'escalier à partir d'une pile de 40 coupes tomographiques acquises tous les microns.

Des images de rétines explantées de rat, entre lame et lamelle, ont été obtenues sur le banc d'OCT plein champ seule. Après acquisition d'une pile d'images en-face (en XY), n'importe quelle coupe axiale (XZ ou YZ) peut être extraite des données.


Coupes axiales d'une rétine explantée de rat entre lame et lamelle.

Instrument 3D couplant OA+OCT en cours de développement et d'exploitation au LESIA

Après validation de principes liés à l'OCT et à la reconstruction des images tomographiques, le système couplant OA et OCT plein champ a été mis à jour dans sa conception par rapport à la version initiale, puis aligné et intégré. Il comprend une centaine d'optiques, ainsi qu'une source et une caméra d'imagerie 3D, 3 platines motorisées pour balayer l'échantillon en profondeur et gérer les amétropies, une boucle d'OA (source, miroir déformable, analyseur de front d'onde) et une caméra d'imagerie 2D. Il est actuellement en cours d'exploitation au LESIA.


Banc d'imagerie 3D de la rétine couplant OA et OCT plein champ.

La résolution en profondeur de l'instrument est de trois à quatre microns. Celle-ci est mesurée par la largeur d'une coupe sur un miroir. Elle permet de séparer optiquement les marches d'un escalier hautes de cinq microns.


Coupe d'un miroir - L'enveloppe de la reconstruction tomographique donne la résolution en profondeur.


Reconstruction d'un escalier dont la hauteur des marches est de cinq microns.

Des images OCT de rétines de porc ex vivo ont été obtenues. On observe différentes couches.


Coupes OCT de rétines de porc ex vivo (champ de 650x650 microns carrés). A gauche : épithélium pigmentaire. Au centre : cellules nerveuses. A droite : vaisseau sanguin.

Pour simuler les conditions d'un oeil in vivo, un écran de phase introduisant des aberrations typiques d'un oeil a été placé dans un plan pupille (équivalent de la cornée). Il est déplacé par des moteurs afin de simuler les mouvements de l'oeil en amplitude et en vitesse (330 microns/s sur 2 mm).

L'analyseur de front d'onde est un Shack-Hartmann à 18x18 sous-pupilles. Le miroir déformable possède 97 actionneurs (Alpao DM97). La fréquence de boucle de l'optique adaptative est de 100 Hz.

La correction par optique adaptative en double passage permet à la fois de :

restaurer la résolution latérale de l'OCT,
améliorer le contraste des franges d'interférence dégradé par les aberrations, augmentant ainsi le rapport signal à bruit de l'OCT,
focaliser correctement le faisceau d'imagerie OCT dans l'échantillon,
stabiliser les franges en corrigeant le tip/tilt.

On peut ainsi constater sur une feuille de papier le gain apporté par l'optique adaptative sur des images OCT grâce à la correction des aberrations.


Reconstructions OCT d'une feuille de papier. A gauche : sans écran de phase (pas d'aberrations). Le signal est optimal, ainsi que la résolution latérale. Au centre : après introduction de l'écran de phase simulant les aberrations d'un oeil (OA éteinte). Résolution et signal OCT sont dégradés. A droite : correction par optique adaptative des aberrations (OA allumée). Signal et résolution sont restaurés.

Des images OCT de rétine corrigées par OA sont en cours d'acquisition.

Le prototype d'imagerie haute résolution 3D par OA+OCT plein champ est opérationnel au LESIA et peut également être utilisé pour d'autres applications, en particulier en microscopie. Des études sur la correction des aberrations dans les tissus de cervelet de souris sont actuellement menées en collaboration avec l'ENS.

Le banc d'OA exploité au Centre d'Investigations Cliniques de l'hôpital des Quinze-Vingts

Marie Blavier, Marie Glanc — 2008-11-14T10:09:00Z

Principe de la caméra de fond d'œil par optique adaptative


Voie mire

Tout au long de l'examen, le sujet fixe une mire (un point lumineux placé à l'infini).


Voie analyse

Un second point lumineux dans le proche infrarouge est créé sur sa rétine. Les fronts d'onde de la lumière réfléchie sont en permanence mesurés par l'analyseur de front d'onde et corrigés par le miroir déformable.


Voie imagerie

Un flash lumineux illumine brièvement la rétine. L'image observée sur la caméra bénéficie de la correction adaptative. Sa résolution est maximale.

Instrument d'OA seule

Cet instrument, le premier réalisé dans le cadre des activités ŒIL au LESIA, a atteint un niveau de robustesse permettant le passage systématique de sujets et de patients. Il a été transféré au CIC des Quinze-Vingts, dans le service du professeur Sahel début 2005. L'examen de fond d'œil par OA a fait partie intégrante d'un protocole clinique (40 yeux sains, 200 présentant des pathologies maculaires variées) associant :

Réfraction
Acuité visuelle (ETDRS)
Vision des couleurs
Dilatation pupillaire par tropicamide (0,5%)
Fond d'œil (photographie)
Ophtalmoscopie Laser à Balayage (SLO HRA II, Heidelberg Engineering, Allemagne) : imagerie IR (830 nm), imagerie d'autofluorescence du fond d'œil (488 nm, barrier filter 500 nm)
Tomographie par cohérence optique (OCT 3, Carl Zeiss Meditec, USA)

Résultats et images

Ce film (cliquer sur l'image pour visualiser) présente les images de rétine de champ 1° telles que visualisées à l'écran du PC d'imagerie lors d'un examen sur un sujet sain. La caméra d'imagerie est conjuguée de la couche des photorécepteurs. On voit cependant l'ombre portée des vaisseaux sanguins situés dans une couche amont et on visualise également une représentation de la circulation des cellules sanguines dans certains vaisseaux.

Ce film (cliquer sur l'image pour visualiser) présente la reconstruction grand champ effectuée a posteriori à partir des images brutes précédentes. L'intervalle entre poses dans le processus d'imagerie (7 Hz) permet de tourner en avantage le fait que l'œil bouge entre les poses. On obtient en effet couramment des champs de 4° grâce à cette reconstruction. Les algorithmes mis en œuvre ont été développés en collaboration avec le DOTA (Département d'Optique Théorique et Appliquée) de l'ONERA.

Cette image montre le résultat de deux reconstructions grand champ. A gauche, une image grand champ de capillaires de diamètres compris entre 5 et 10 microns. On résout la paroi des vaisseaux sur ces images. Au centre, image grand champ de photorécepteurs sur laquelle on peut commencer à voir varier leur diamètre en fonction de l'excentricité (fovéola en bas à droite de l'image). A droite, image grand champ en fausses couleurs permettant de visualiser le nombre de proches voisins pour chaque cône (plus la couleur est chaude, plus le nombre de voisins est élevé).

Description de la rétine

Marie Blavier, Marie Glanc — 2008-11-14T10:08:53Z

Éléments physiologiques

La rétine est une sorte de sandwich cellulaire multicouches. Il faut noter que la lumière doit traverser plusieurs types cellulaires, avant de stimuler les photorécepteurs (cônes et bâtonnets formant les "pixels" de notre détecteur rétinien).

On trouve, dans l'ordre de progression de la lumière :

La rétine "nerveuse"

Elle est constituée :

des cellules ganglionnaires,
des cellules amacrines,
des cellules bipolaires,
des cellules horizontales.

Formant la partie nerveuse de la rétine, ces cellules encodent le signal nerveux issu des photorécepteurs sensibilisés par la lumière en direction du cerveau (nerf optique).

Les photorécepteurs

Ce sont les cellules qui transforment la lumière en influx nerveux par des processus chimiques. Il existe des cellules en forme de bâtonnets et des cellules en forme de cônes. Il y a 6 millions de cellules cônes pour 120 millions de cellules bâtonnets. La densité des photorécepteurs est maximale dans la fovéa (zone qui nous sert à viser). Les cônes, sensibles à la couleur, sont de trois types différents (détectant les faibles, moyennes et hautes longueurs d'onde). Ils servent à bien échantillonner les scènes. Les bâtonnets sont absents de la fovéola, la région centrale de la fovéa. Ils servent à la vision nocturne et ne voient pas les couleurs. Par contre, très sensibles, ce sont de véritables compteurs de photons.

L'épithélium pigmentaire

Il empêche la diffusion de la lumière et permet de recycler les vieux disques de rhodopsine (pigment rouge) des photorécepteurs qui interviennent dans les processus chimiques mentionnés ci-dessus.

Le partenariat

Marie Blavier, Marie Glanc — 2008-11-14T10:08:45Z

La collaboration MIVOA (microscopie des tissus biologiques in vivo aidée par optique adaptative), initiée par un rapprochement d'équipes labellisé par PSL* entre notre équipe et :

l'équipe Dynamique corticale et mécanismes de codage, Institut Biologique de l'Ecole Normale Supérieure,
l'équipe Nano observation 3-D, Institut Langevin Ondes et Images,
l'équipe Imagerie optique dans les milieux biologiques complexes, Laboratoire Kastler Brossel.
Personnes impliquées : Laurent Bourdieu, Jean-François Léger, Cathie Ventalon à l'IBENS ; Claude Boccara et Jinyu Wang à l'Institut Langevin ; Sylvain Gigan au LKB.

ONERA L'ONERA et le LESIA collaborent depuis 20 ans sur des projets de développement d'instruments optiques de pointe pour l'astronomie. Au sein du groupement d'intérêt spécifique PHASE puis du programme national ASHRA, ils ont joué un rôle déterminant dans de nombreuses innovations ayant vu le jour dans le domaine de l'imagerie à haute résolution angulaire : optique adaptative, interférométrie à fibres optiques, imagerie à haut contraste par coronographie, restauration d'image…
Personnes impliquées : Laurent Mugnier, Serge Meimon, thèses de Guillaume Chenegros (2008) et Leonardo Blanco (2013)

Les médecins de l'Hôpital des Quinze-Vingts apportent leur concours au projet OEIL par l'exploitation et l'interprétation médicales des résultats. L'Institut de la Vision fournit des rétines explantées pour les tests de l'instrument. A terme, il pourrait accueillir un prototype de système de tomographie haute résolution 3D de la rétine.
Personnes impliquées : Michel Paques, José-Alain Sahel, Valérie Fradot

Les instruments d'imagerie rétinienne existants

Marie Blavier, Marie Glanc — 2008-11-10T12:33:54Z

Cet article présente deux instruments d'imagerie de fond d'œil classiques pouvant équiper les services d'ophtalmologie des hôpitaux.


SLO, oeil humain, champ de 15°.

Le SLO ou ophtalmoscope laser à balayage

Il est basé sur le balayage d'un pinceau laser sur la rétine. Le signal de retour permet de reconstruire le champ observé (plusieurs dizaines de degrés). Le médecin visualise directement l'image sur un écran. La résolution spatiale est limitée par les performances optiques de l'œil, soit 20 µm sur le tissu.


OCT, oeil humain, champ de 15°.

L'OCT ou instrument de tomographie par cohérence optique

Cette technique repose sur l'interférométrie (essentiellement en balayage point à point dans les instruments commerciaux). Cette technique sélectionne la couche de tissu observée par comparaison des chemins optiques parcourus dans les deux bras d'un interféromètre de type Michelson, dont l'un passe par l'œil (à la longueur de cohérence près de la source utilisée). La résolution axiale des instruments commerciaux est assez bonne (environ 10 µm) mais la résolution latérale, là encore, est insuffisante (20 µm). Le balayage axial doit être rapide, sous peine de brouillage des franges. Le balayage latéral est nécessairement plus lent (1 seconde par balayage). La résolution axiale, liée à la source de lumière utilisée, peut techniquement être améliorée et atteindre l'ordre du micron. Par contre, la résolution transverse est fondamentalement limitée par la qualité optique de l'œil et ne peut être améliorée qu'en utilisant une optique adaptative en complément.

Les défauts oculaires

Marie Blavier, Marie Glanc — 2008-11-10T12:33:36Z

Les "défauts optiques"

Le premier dioptre de l'œil est constitué par le film lacrymal, substance multiphasique qui hydrate la cornée. Ce film s'assèche au cours du temps (et perd donc ses propriétés optiques) jusqu'au prochain clignement qui permet de le réhomogénéiser.

La cornée est la première lentille de l'œil. Elle a une puissance d'environ 40 dioptries (inverse de la longueur). Cette lentille est baignée par l'humeur aqueuse, milieu d'indice de réfraction proche de l'eau dans lequel est immergé l'iris, notre diaphragme oculaire. L'iris sert à régler le nombre de photons qui pénètrent dans l'œil.

Le cristallin est la seconde lentille de l'œil. Constitué de différentes couches qui s'ajoutent au cours de la vie, c'est une sorte de lentille à gradient d'indice qui peut se déformer. Ce phénomène s'appelle l'accommodation et permet (théoriquement) de voir net à quasiment toutes les distances.

Le vitré sépare la rétine du cristallin. C'est un gel d'indice de réfraction proche de l'eau également. Sain, il est transparent. Des matériaux en suspension dans le vitré peuvent peut-être avoir une action sur le trajet des rayons lumineux dans certains cas.


Coupe physiologique d'oeil.

Les différents éléments cités ci-dessus participent aux aberrations oculaires dans des proportions différentes d'un individu à l'autre et en fonction des conditions extérieures. Il faut noter que l'œil est un système optique qui travaille hors-axe (angle de 5° entre l'axe visuel et l'axe optique de l'œil). En outre, l'œil en fixation n'est pas immobile : les muscles extraoculaires assurent un asservissement autour de l'axe de visée (ce qui permet de ne pas saturer les photorécepteurs). D'autres types de mouvements peuvent être identifiés lors de la fixation (dérives, micro-saccades). De plus, la réponse à un stimulus accommodatif n'est ni stable ni précise ; ce phénomène ainsi que les battements cardiaques doivent affecter la longueur axiale de l'œil, donc son focus. Enfin, lors d'un examen oculaire, les positions de la tête et de l'œil ne sont pas constantes. Cela provoque des mouvements de la pupille du sujet dans celle de l'instrument, ce qui est interprété par des fluctuations de la carte d'aberrations présentes dans la pupille de travail.

Contexte du projet

Marie Blavier, Marie Glanc — 2008-10-07T07:40:30Z

Contexte scientifique

L'œil en tant que système optique présente des défauts optiques qui, d'une part, dégradent le processus de formation des images sur la rétine, d'autre part gênent l'ophtalmologiste lors d'un examen de fond d'œil. La première conséquence n'est pas problématique au quotidien car une majeure partie peut être compensée par des verres correcteurs (lunettes, etc...). La seconde conséquence par contre peut empêcher la détection précoce de pathologies en raison d'un rendu médiocre de l'image des tissus rétiniens au cours de l'examen médical (voir les instruments d'imagerie rétinienne existants).


Observation astronomique d'un corps céleste depuis le sol.


Observation de la rétine par un ophtalmologiste à travers un instrument d'imagerie.

La difficulté d'imager la rétine à travers l'œil s'apparente, par la présence de ces défauts ocualires, à celle rencontrée par les astronomes avant l'avènement de l'Optique Adaptative (OA) sur les télescopes. Dans ce dernier cas, la présence de couches atmosphériques turbulentes dégrade la qualité des images célestes obtenues sur un télescope au sol. C'est ainsi qu'est née (en France, sous l'impulsion de Pierre Léna en particulier) l'idée d'utiliser cette technique pour améliorer la qualité des images rétiniennes recueillies par les médecins. Ce projet regroupe donc des astronomes et des physiciens, ainsi que des ophtalmologistes. Pour découvrir l'ensemble des partenaires, voir l'article Le partenariat.

Contexte social

En 2000, 30 millions de personnes dans le monde étaient atteintes de dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) ; 25 % des 135 millions de diabétiques étaient suivis par un ophtalmologiste ; 67 millions de cas de glaucomes, soit la moitié seulement des cas existants, étaient traités. Ces trois pathologies sont responsables à elles seules de 50 % des cas de cécité. En 2025, ces chiffres auront triplé, en grande partie du fait de la prévalence élevée de ces pathologies dans la population âgée, qui sera amenée à doubler dans les 20 prochaines années. Comme pour le cancer, le dépistage précoce est le plus sûr moyen d'enrayer cette progression et de réduire le coût humain et social de ces maladies. Pour de plus amples informations concernant ces pathologies et, de manière plus générale, sur les activités de recherche de pointe dans le domaine de l'ophtalmologie, le lecteur visitera le site de l'Institut de la Vision (partenaire des activités OEIL).

Contexte matériel : instruments d'imagerie rétinienne existants

La détection précoce de pathologies rétiniennes, leur suivi, le développement de molécules thérapeutiques, réclament une exploration in situ et in vivo du tissu rétinien à l'échelle cellulaire (voir la description de la rétine). Or aucune exploration endoscopique non invasive du segment postérieur de l'œil (rétine, corps vitré) n'existe aujourd'hui et l'examen direct depuis l'extérieur de l'œil souffre en particulier de la très mauvaise qualité optique du segment antérieur (cornée, cristallin). Les instruments perfectionnés existants dans les hôpitaux souffrent alors d'une résolution latérale limitée (comme ceux utilisant la tomographie par cohérence optique (OCT)), voire en outre d'une résolution axiale limitée (cas de l'ophtalmoscope laser à balayage (SLO)).

Un problème supplémentaire peut s'ajouter à certains systèmes à balayage : des mouvements oculaires peuvent perturber le recueil parfois trop long de l'image que le médecin souhaite exploiter (image déformée). L'imagerie plein champ consiste à acquérir directement des images 2D de l'échantillon, évitant ainsi le balayage transverse nécessaire à l'imagerie point par point classique. Elle permet donc de gagner un temps précieux lors de l'acquisition des images.

L'article sur le banc d'OA décrit le principe d'une caméra de fond d'œil par optique adaptative et les résultats obtenus à partir de celle qui a été exploitée lors d'un processus d'essai clinique au CIC de l'hôpital des Quinze-Vingts. L'article sur le banc de couplage OA/OCT en cours de développement au LESIA présente le principe de la tomographie par cohérence optique plein champ, l'avancement du banc et les résultats actuels.