In the context of cutaneous carcinoma diagnosis based on in vivo optical biopsy, Diffuse Reflectance (DR) spectra, acquired using a Spatially Resolved (SR) sensor configuration, can be analyzed to distinguish healthy from pathological tissues. The present contribution aims at studying the depth distribution of SR-DR-detected photons in skin from the perspective of analyzing how these photons contribute to acquired spectra carrying local physiological and morphological information. Simulations based on modified Cuda Monte Carlo Modeling of Light transport were performed on a five-layer human skin optical model with epidermal thickness, phototype and dermal blood content as variable parameters using (i) wavelength-resolved scattering and absorption properties and (ii) the geometrical configuration of a multi-optical fiber probe implemented on an SR-DR spectroscopic device currently used in clinics. Through histograms of the maximum probed depth and their exploitation, we provide numerical evidence linking the characteristic penetration depth of the detected photons to their wavelengths and four source–sensor distances, which made it possible to propose a decomposition of the DR signals related to skin layer contributions.

Modélisation et estimations des propriétés optiques de la peau humaine à l'aide de spectroscopie d'autofluorescence et reflectance diffuse résolues spatialement: Dans le contexte du carcinome cutané, la biopsie optique offre une alternative in-vivo non destructive à la biopsie conventionnelle pour informer le praticien dermatologue de l'état de santé du tissu en profondeur lors de la résection du cancer. Ce dernier est en effet à l'origine de modifications morphologiques et physiologiques de la peau, ce qui explique que les mesures optiques resultantes des interactions lumière/tissus y soient sensibles. Les travaux présentés dans ce manuscrit exploitent les données obtenues l'aide du dispositif de biopsie optique SpectroLive sur une centaine de patients juste avant la résection du cancer par le clinicien. Au contact de la peau, ce dispositif spectroscopique acquiert des signaux de réflectance diffuse (excitation large bande blanche) et d'autofluorescence (émission monochromatique pour exciter les fluorophores endogènes de la peau) résolus spatialement, i.e., pour plusieurs distances de séparation entre la fibre émettrice de lumière est les fibres collectrices en périphérie. Cette résolution spatiale est particulièrement d'intérêt pour la peau, puisque les différentes distances introduites permettent de collecter des photons parcourant les différentes couches en profondeur (épiderme, derme et hypoderme) de l'organe. L'essentiel des travaux présentés ici concerne l'estimation des propriétés optiques de la peau grâce à la résolution du problème inverse à partir de ces acquisitions cliniques. Cela consiste d'abord à établir une simulation de transport de photons fidèle aux caractéristiques (géométriques et spectrales) du dispositif réel avant de construire un modèle multicouche de la peau dans lequel les paramètres optiques (e.g. coefficients d'absorption et de diffusion, le facteur d'anisotropie) et géométriques (e.g. épaisseur des couches) peuvent être estimées par un processus d'optimisation visant à minimiser les différences entre les spectres générés par la simulation et les spectres "cibles" obtenus en clinique. Dans ce but, les contributions principales développées dans ce manuscrit sont d'abord le développement et l'exploitation totale de la simulation, avec notamment une étude visant à caractériser la pénétration des photons détectés aux différentes séparation source/détecteur, et ceci pour différents modèles de peau afin de représenter les différences inter- et intra-individu. Les connaissances acquises avec cette étude de profondeurs sondées sont ensuite utilisées dans la seconde contribution majeure, visant à adapter le processus d'estimations des propriétés optiques à partir des spectres cliniques (problème inverse) à la peau. Enfin, la dernière contribution, plus métrologique, est l'élaboration d'un banc optique à double sphères intégrantes permettant d'obtenir ces mêmes propriétés optiques pour un échantillon ex-vivo, et ainsi permettre la comparaison des estimations issues des deux modalités.