Les dérivées de l’hémoglobine dans la structure rétinienne par la technique de réflectométrie multi-spectrale

Abstract

L’examen de la rétine par des moyens non invasifs et in vivo a été un objectif de recherche pendant plusieurs années. Pour l’œil comme pour tous les organes du corps humain, un apport soutenu en oxygène est nécessaire pour le maintien de l’homéostasie. La concentration en oxygène du sang des vaisseaux rétiniens peut être déterminée principalement à partir des mesures du spectre de réflexion du fond de l’œil. En envoyant une lumière, à différentes longueurs d’onde, sur la rétine et en analysant la nature de la lumière réfléchie par la rétine, il est possible d’obtenir des informations quantitatives sur le niveau d'oxygène dans les vaisseaux sanguins de la rétine ou sur le flux sanguin. Cependant, la modélisation est compliquée due aux différentes interactions et aux chemins que la lumière prend à travers les tissus oculaires avant de quitter l’œil. L’objectif de cette thèse a été de développer et de valider un modèle mathématique afin de calculer les dérivées d’hémoglobine à partir de mesures spectrales de réflectométrie sur les vaisseaux sanguins de la rétine. L’instrument utilisé pour mesurer la fonction spectrale de réflectométrie a été un spectroréflectomètre multi-canal, une technologie capable de mesurer in vivo et en continu 800 spectres simultanément. L'équation mathématique qui décrit la fonction spectrale de réflectométrie dans la zone spectrale de 480 nm à 650 nm a été exprimée comme la combinaison linéaire de plusieurs termes représentant les signatures spectrales de l'hémoglobine SHb, de l'oxyhémoglobine SOHB, l’absorption et la diffusion des milieux oculaires et une famille de fonctions multigaussiennes utilisées pour compenser l’incompatibilité du modèle et les données expérimentales dans la zone rouge du spectre. Les résultats du modèle révèlent que le signal spectral obtenu à partir de mesures de réflectométrie dans l’œil est complexe, contenant la lumière absorbée, réfléchie et diffusée, mais chacun avec une certaine prédominance spécifique en fonction de la zone spectrale. La fonction spectrale d’absorption du sang est dominante dans la zone spectrale 520 à 580 nm, tandis que dans la zone spectrale de longueurs d’ondes plus grandes que 590 nm, la diffusion sur les cellules rouges du sang est dominante. Le modèle a été utilisé afin de mesurer la concentration d’oxygène dans les capillaires de la tête du nerf optique suite à un effort physique dynamique. L’effort physique a entraîné une réduction de la concentration d’oxygène dans les capillaires, ainsi qu’une réduction de la pression intraoculaire, tandis que la saturation sanguine en oxygène, mesurée au niveau du doigt, restait constante. Le modèle mathématique développé dans ce projet a ainsi permis, avec la technique novatrice de spectroréflectométrie multicanal, de déterminer in vivo et d’une manière non invasive l’oxygénation sanguine des vaisseaux rétiniens.

In vivo retinal exams done through non-invasive methods have been an objective for researchers these past years. The eye, just like any other organ in the human body, has a constant need of oxygen in order to maintain homeostasis. The concentration of oxygen present in the retinal blood vessels can be determined mainly by measurements of spectral reflections of the fundus. By sending rays of light at different wavelengths on the retina and analyzing the nature of the reflected light, it is possible to obtain quantitative information on the level of oxygen found in the blood vessels of the retina. However, the establishment of a model is complicated due to the different interactions and pathways taken by the light when passing through the different ocular tissues before leaving the eye. The objective of this thesis has been to develop and validate a mathematical model that calculates the derivatives of haemoglobins by using spectral measurements of reflectometry on the retinal blood vessels. The instrument used to measure the spectral function of reflectometry was a multichannel spectroreflectometer, a technology capable of measuring continuously and simultaneously 800 spectral in vivo. The mathematical equation describing the spectral function of reflectometry in the spectral zone ranging from 480 nm to 650 nm, has been formulated to include the linear combination of multiple terms representing the spectral signatures of haemoglobin SHb, the oxyhaemoglobin SOHB, the absorption and diffusion of ocular media, and a family of multigaussian functions used to compensate the incompatibility of the model and the experimental results in the red zone of the spectral. The results of the model reveal that the spectral signal obtained by the measurements of reflectometry in the eye are complex, such as light absorption, reflection and diffusion, but that each has a specific predominance depending on the spectral zone. The spectral function describing blood absorption is dominant in the 520 to 580 nm spectral zone, whereas diffusion on red blood cells is dominant in the spectral zone containing higher wavelengths starting at 590 nm. The model was used to measure the concentration of oxygen in the microcapillaries found in the optic nerve head following a dynamic physical effort. The physical effort caused a reduction in the concentration of oxygen in the microcapillaries and a reduction of the intraocular eye pressure, whereas the blood saturation of oxygen measured in the finger remained constant. The mathematical model developed in this project, combined with the innovative technique of multichannel spectroreflectometry, allowed to determine in a non-invasive in-vivo method, the oxygenation of the retinal blood vessels.