Digital multispectral Mueller colposcopy for exploring cervical microstructure in vivo - Département de physique Access content directly
Theses Year : 2022

Digital multispectral Mueller colposcopy for exploring cervical microstructure in vivo

Colposcopie de Mueller numérique multispectrale pour explorer la microstructure du col utérin in vivo

Abstract

Despite considerable advances in modern medical technology, predicting preterm births remains challenging. The cervix plays a crucial role during pregnancy and childbirth. In a full-term pregnancy, it gradually softens but remains closed to hold the fetus in the uterus for most of the gestation period. After 37 weeks of amenorrhea, it begins to shorten and dilate (cervical ripening) in preparation for delivery, which occurs at around 41 weeks of amenorrhea. The process of cervical remodeling is due to a modification in the microscopic properties of the connective tissue, in particular collagen.In preterm birth, cervical ripening occurs before 37 weeks of amenorrhea. The current clinical practice uses cervical length measured by transvaginal ultrasound to assess the risk of preterm birth. However, the predictive ability of this approach is very poor. Many imaging techniques (X-ray, MRI, OCT, SHG, etc.) have been tested to characterize cervical microstructure during pregnancy, but their clinical application remains very limited. In recent years, Mueller polarimetric imaging has shown great promise for analyzing the cervix during pregnancy.Light is an electromagnetic field. The polarization of light is defined as the space-time trajectory of the electric field. The Mueller-Stokes formalism represents the polarization as a four-dimensional vector called the Stokes vector which can be obtained by light intensity measurement. After interaction with a sample, the Stokes vector of the incident light is modified.The Mueller matrix is a real 16-component matrix that relates the Stokes vector at the input to the Stokes vector at the output of the sample. The measurement of this matrix provides a complete characterization of its optical anisotropy and scattering properties. For the cervix, the optical anisotropy is generated by the well-organized fibrous proteins of the connective tissue, such as collagen. On the other hand, the scattering properties are related to the high spatial heterogeneity of the cervical tissue at the microscopic scale.A feasibility study conducted by LPICM researchers at the Brugmann University Hospital in Brussels (Belgium) on 24 full-term pregnant patients showed that depolarization of the cervical tissue decreases as pregnancy progresses. Based on this preliminary result, the COLPOTERME research project was launched in collaboration with the Kremlin-Bicêtre University Hospital (France) to test the Mueller polarimetric imaging on a massive number of pregnant patients in a clinical trial.This thesis work enabled the launch of the clinical trial which is currently underway. The thesis manuscript is structured as follows.Chapter 1 presents the basic principles of Mueller polarimetry. Chapter 2 focuses on the description of the anatomy and microscopic structure of the cervix. In addition, previous results obtained at LPICM on the use of Mueller polarimetric imaging to probe cervical tissue are described.Chapter 3 presents the design and development of a new Mueller polarimetric colposcope (MPC) with unparalleled performance for in vivo cervical analysis. The new MPC allows the acquisition of high-resolution polarimetric images in 1 second, simultaneously at multiple wavelengths in the visible spectral range, with a macroscopic field of view and high spatial resolution. The performance and stability of the MPC, as well as the ergonomics of the system are described in detail in Chapter 4.Chapter 5 presents the preliminary results of the study. The polarimetric properties of the different types of epithelium covering the surface of the cervix were characterized. A statistical study showed that multispectral Mueller polarimetric imaging can effectively distinguish between the different types of cervical epithelium, which is very difficult to do with conventional colposcopy. Finally, polarimetric changes of each identified histological type were studied in relation to pregnancy progression.
Malgré les progrès considérables de la technologie médicale moderne, la prévision des naissances prématurées reste un défi. Le col de l'utérus joue un rôle crucial pendant la grossesse et l'accouchement. En effet, lors d'une grossesse à terme, il s'assouplit progressivement mais reste fermé pour retenir le fœtus dans l'utérus pendant la majeure partie de la gestation. Après 37 semaines d'aménorrhée, il commence à se raccourcir et à se dilater en vue de l'accouchement, qui a lieu vers 41 semaines d'aménorrhée.Le processus de remodelage du col utérin est dû à une modification des propriétés microscopiques du tissu conjonctif, en particulier du collagène.En cas de naissance prématurée, la maturation cervicale se produit avant 37 semaines d'aménorrhée. La pratique clinique actuelle utilise la longueur du col mesurée par échographie transvaginale pour évaluer le risque d'accouchement prématuré. Cependant, la capacité prédictive de cette approche est très faible. De nombreuses techniques d'imagerie (rayons X, IRM, OCT, SHG, etc.) ont été testées pour caractériser la microstructure du col utérin pendant la grossesse mais leur application clinique reste très limitée. Au cours de ces dernières années, l'imagerie polarimétrique de Mueller s'est révélée très prometteuse pour analyser le col utérin pendant la grossesse.La lumière est un champ électromagnétique. La polarisation de la lumière est définie comme la trajectoire spatio-temporelle du champ électrique. Le formalisme de Mueller-Stokes représente la polarisation comme un vecteur quadridimensionnel appelé vecteur de Stokes qui peut être obtenu par des mesures d'intensité lumineuse. Après interaction avec un échantillon, le vecteur de Stokes de la lumière incidente est modifié. La matrice de Mueller est une matrice réelle à 16 composantes qui relie le vecteur de Stokes à l'entrée au vecteur de Stokes à la sortie de l'échantillon. La mesure de cette matrice fournit une caractérisation complète de son anisotropie optique et de ses propriétés de diffusion. Pour le col utérin, l'anisotropie optique est générée par les protéines fibreuses bien organisées du tissu conjonctif, telles que le collagène.Une étude de faisabilité menée par les chercheurs du LPICM au CHU Brugmann de Bruxelles sur 24 patientes enceintes à terme a montré que la dépolarisation du tissu cervical diminue au fur et à mesure de la grossesse. Sur la base de ces résultats préliminaires, le projet de recherche COLPOTERME a été lancé en collaboration avec le CHU du Kremlin Bicêtre pour tester l'imagerie polarimétrique de Mueller sur un nombre massif de patientes enceintes dans le cadre d'un essai clinique.Ce travail de thèse a permis la mise en place de l'essai clinique qui est en cours. Le manuscrit de la thèse est structuré comme suit.Le Chapitre 1 présente les principes de base de la polarimétrie de Mueller. Le Chapitre 2 se focalise sur la description de l'anatomie et de la structure microscopique du col utérin. De plus, les résultats précédents obtenus au LPICM sur l'utilisation de l'imagerie polarimétrique de Mueller pour sonder le tissu cervical sont décrits.Le Chapitre 3 présente la conception et le développement d'un nouveau colposcope polarimétrique de Mueller (CPM) aux performances inégalées pour l'analyse du col utérin in vivo. Ce système permet l'acquisition d'images polarimétriques haute résolution en 1 seconde, simultanément à plusieurs longueurs d'onde dans la gamme spectrale visible, avec un champ de vision macroscopique et une haute résolution spatiale. Les performances et la stabilité du CPM ainsi que l'ergonomie du système sont décrites en détail dans le Chapitre 4.Le Chapitre 5 présente les résultats préliminaires de l'étude. Les propriétés polarimétriques des différents types d'épithélium recouvrant la surface du col utérin ont été caractérisées. Enfin, les changements polarimétriques de chaque type histologique identifié ont été étudiés en relation avec la progression de la grossesse.
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tel-04482223 , version 1 (28-02-2024)

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  • HAL Id : tel-04482223 , version 1

Cite

Junha Park. Digital multispectral Mueller colposcopy for exploring cervical microstructure in vivo. Medical Physics [physics.med-ph]. Institut Polytechnique de Paris, 2022. English. ⟨NNT : 2022IPPAX141⟩. ⟨tel-04482223⟩
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