Combination of tissular multimodal spectro-imaging and optical clearing methods to improve detection depth in skin in vivo - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Combination of tissular multimodal spectro-imaging and optical clearing methods to improve detection depth in skin in vivo

Combinaison de méthodes de spectro-imagerie tissulaire multimodalités et de clarification optique pour améliorer la profondeur de détection dans la peau in vivo

Abstract

This thesis presents the results of research in the context of improved analysis of the skin optical properties using various optical techniques, such as multimodal tissular spectroscopy and optical coherence tomography (OCT) imaging. Since many years optical techniques of skin characterization are an effective alternative to traditional invasive diagnostic methods as they allow to get information about the structural and biochemical skin composition in vivo in real time, which led to their extensive implementation in the clinical practice of skin lesions analysis. In the last decades it was demonstrated that combined use of several optical techniques allows to increase the diagnostic accuracy by increasing the variety of data acquired in one measurement. Spatial resolution may also increase the diagnostic potential by providing depth discrimination (resolution) between assessed layers. Even though the main limitation for the use of the optical methods in skin diagnostics is the strong absorption and scattering of the latter, skin optical properties can be changed using the method of skin optical clearing (OC). The combination of optical clearing agents (OCA) with various chemical and physical enhancers of skin permeability may significantly improve the potential of multimodal optical approaches with spatial resolution. The aim of the first experimental study within this thesis framework was (i) to investigate the effect of the OC process applied to ex vivo human skin samples on spatially resolved (SR) diffuse reflectance (DR) and autofluorescence (AF) spectra using two combinations of OCA and chemical permeation enhancers (CPE), and (ii) to quantify the clearing- like effect of drying and of spectroscopic probe pressure on skin. A spatially resolved multimodal spectroscopic device was used on a two- layered “hybrid” model made of ex vivo skin and fluorescent gel. Time kinetics of fluorescence and diffuse reflectance spectra demonstrate d an increase in the gel fluorescence back reflected intensity after optical clearing. In addition, complementary experimental results showed increased light transmittance through the skin and confirmed that the improvement in the depth sensitivity of the multimodal spectroscopic approach was related not only to the dehydration and refractive indices matching due to optical clearing, but also to the mechanical compression of tissues caused by the application of the spectroscopic probe. Since when translating these methods into clinical use there is a need to comply with established regulations, including the use of chemicals on healthy and pathologically changed skin of patients, the concentrations of the OCA used may need to be reduced in order to pass the threshold of clinical utility and biocompatibility. Thus, the main goal of the consecutive experimental study was to experimentally evaluate, by using for the first time a Line-field Confocal OCT (LC-OCT) imaging technique, the e fficacy of OC of human skin in vivo with biocompatible OCA combined with chemical and physical permeability enhancers. To satisfy the biocompatible concentration requirements, the mixtures of OCA and CPE were developed according to the FDA inactive ingredients database. To enhance the clearing effect, physical permeation methods were also used. By analyzing simultaneously the average intensity and contrast of the images obtained by LC-OCT technique, we determined the in-depth effectiveness of skin in vivo biocompatible OC. The results showed that the best increase in image intensity and contrast after 10 minutes of ultrasound-assisted clearing was achieved using a mixture of PEG/OA/PG. The results of the experimental data fitting with the hypothesized biphasic exponential association model are in a good agreement with experimental results. Thus, the effectiveness of OC with biocompatible concentrations of OCA was demonstrated.
Cette thèse présente les résultats de recherches dans le cadre de l'amélioration de l'analyse des propriétés optiques de la peau à l'aide de différentes techniques optiques, telles que la spectroscopie tissulaire multimodale et l'imagerie par tomographie par cohérence optique (OCT). Depuis de nombreuses années, les techniques optiques de caractérisation de la peau sont une alternative efficace aux méthodes de diagnostic invasives traditionnelles car elles permettent d'obtenir des informations sur la composition structurelle et biochimique de la peau in vivo en temps réel, ce qui a conduit à leur mise en œuvre extensive dans la pratique clinique de l'analyse des lésions cutanées. Même si la principale limitation à l'utilisation des méthodes optiques dans le diagnostic de la peau est la forte absorption et diffusion de cette dernière, les propriétés optiques de la peau peuvent être modifiées en utilisant la méthode de Clarification Optique tissulaire (OC). La combinaison des agents de clarification optique (OCA) avec divers activateurs chimiques et physiques de la perméabilité cutanée peut améliorer considérablement le potentiel des approches optiques multimodales avec une résolution spatiale. L'objectif de la première étude expérimentale dans le cadre de cette thèse était (i) d'étudier l'effet du processus OC appliqué à des échantillons de peau humaine ex vivo sur les spectres de réflectance diffuse (DR) et d'autofluorescence (AF) résolus spatialement (SR) en utilisant deux combinaisons d'OCA et de Chemical Permeation Enhancers (CPE), et (ii) pour quantifier l'effet de clarification du séchage et de la pression de la sonde spectroscopique sur la peau. Un dispositif spectroscopique multimodal à résolution spatiale a été utilisé sur un modèle « hybride » à deux couches composé de peau ex vivo et de gel fluorescent. La cinétique temporelle des spectres de fluorescence et de réflectance diffuse a démontré une augmentation de l'intensité rétroréfléchie de la fluorescence du gel après clarification optique. De plus, des résultats expérimentaux complémentaires ont montré une augmentation de la transmission de la lumière à travers la peau et ont confirmé que l'amélioration de la sensibilité en profondeur de l'approche spectroscopique multimodale était liée non seulement à la déshydratation et à la correspondance des indices de réfraction due à la clarification optique, mais aussi à la compression mécanique de tissus causés par l'application de la sonde spectroscopique. Étant donné que lors de la traduction de ces méthodes en utilisation clinique, il est nécessaire de se conformer aux réglementations établies, les concentrations d'OCA utilisées peuvent devoir être réduites. Ainsi, l'objectif principal de l'étude expérimentale ultérieure était d'évaluer expérimentalement pour la première fois, à l'aide d'une technique d'imagerie Line-field Confocal OCT (LC-OCT), l'efficacité de l'OC de la peau humaine in vivo avec l'OCA biocompatible combiné à des activateurs de perméabilité chimiques et physiques. Pour répondre aux exigences de concentration biocompatibles, les OCA ont été développés selon la base de données des ingrédients inactifs de la FDA. En analysant simultanément l'intensité moyenne et le contraste des images obtenues par la technique LC-OCT, nous avons déterminé l'efficacité en profondeur de l'OC biocompatible in vivo de la peau. Les résultats ont montré que la meilleure augmentation de l'intensité et du contraste de l'image après 10 minutes de clarification assistée par ultrasons a été obtenue en utilisant un mélange de PEG/OA/PG. Les résultats de l'ajustement des données expérimentales avec le modèle d'association exponentielle biphasique hypothétique sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Ainsi, l'efficacité de l'OC avec des concentrations biocompatibles d'OCA a été démontrée.
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tel-03765338 , version 1 (31-08-2022)

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  • HAL Id : tel-03765338 , version 1

Cite

Sergey Zaytsev. Combination of tissular multimodal spectro-imaging and optical clearing methods to improve detection depth in skin in vivo. Medical Imaging. Université de Lorraine; Saratovskij gosudarstvennyj universitet im. N. G. Černyševskogo (Saratov, Russie), 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0067⟩. ⟨tel-03765338⟩
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