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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (24/10/2007), Jacques Lafait (Dir.)
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Diffusion de la lumière par des tissus biologiques : Etude expérimentale et modélisation par l'équation de transfert radiatif vectorielle.
Clémence Bordier1

Ce travail est consacré à l'étude de la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques, en vue du développement d'une méthode de biopsie optique pour la détection précoce du cancer des organes creux. D'un point de vue théorique nous avons développé un modèle permettant de rendre compte de la diffusion de la lumière dans un système multistratifié, hétérogène, diffusant, dont la géométrie est proche de celle des tissus biologiques. Ce modèle est basé sur la résolution de l'Equation de Transfert Radiatif Vectorielle (ETRV) par la méthode des Ordonnées Discrètes. Il permet de calculer la répartition angulaire et les variations spectrales de la lumière diffusée suivant différents états de polarisation. Nos simulations du processus de cancérisation à l'intérieur d'un tissu épithélial ont montré que l'on peut espérer distinguer un tissu sain d'un tissu cancéreux à partir de l'analyse de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumière diffusée en fonction de sa direction de diffusion. L'élément morphologique discriminant étant le doublement de la taille du noyau des cellules, principal diffuseur de la lumière, dans le tissu dysplasique. D'un point de vue expérimental nous avons réalisé des mesures de diffusion de lumière sur des échantillons école (lait et intralipides) à l'aide d'un gonio-spectro-photomètre construit au laboratoire. Elles ont permis la validation de notre modèle. Dans la continuité de ces expériences nous avons étudié des tissus reconstitués dont les cellules présentaient des tailles de noyaux différentes et des peaux de souris dont l'une présentait vraisemblablement un début de tumeur. Les résultats de ces mesures sont en accord quantitatif (pour les tissus de culture) et qualitatif (pour les essais préliminaires sur la peau de souris) avec les prédictions du modèle. Ils sont encourageants pour poursuivre notre étude de la diffusion élastique de la lumière comme outil de diagnostic.
1 :  INSP - Institut des Nanosciences de Paris
polarisation – transfert radiatif – biopsie optique – tissus biologiques – diffusion de la lumière – multicouche.

This work is devoted to the study of light scattering in biological tissues with a view to develop an optical biopsy method for an early detection of cancer in hollow organs. From a theoretical point of view, we have developed a model accounting for light scattering in a multi stratified, heterogeneous and scattering system, with a geometry closed to the biological tissue. This model is based on the resolution of the Vector Radiative Transfer Equation (VRTE) by the Discrete Ordinates Method (DOM). It calculates the angular distribution and the spectral variations of the scattered light according to various states of polarization. Our simulations of the “cancerization” process inside an epithelium tissue have shown that it should be possible to distinguish a healthy tissue from a cancerous one starting from the analysis of the intensity and the state of polarization of the scattered light according to its direction of scattering. The discriminating morphological element being the doubling of the size of the cell nucleus - which is the main light scatterer in the dysplastic tissue. From an experimental point of view, we have realized spectral and angular measurements of the polarized light scattered by phantom media (milk and intralipids) by using a “goniospectrophotometer” built in the laboratory, which allowed the validation of our model. In the continuity of these experiments we have studied several reconstituted tissues with cells presenting nuclei of different sizes, also mice skins among which one very likely presenting the beginning of a tumour. The measurements agree quantitatively (for the tissues of culture) and qualitatively (for the preliminary tests on the mice skins) with the predictions of the model. They are encouraging to proceed with our study of the elastic diffusion of light as a tool.of cancer diagnosis.
Light scattering – radiative transfer – stratified media – polarization – biological tissues