Thèse Imagerie Polarimétrique de Mueller Multispectrale Appliquée à la Colposcopie pour la Caractérisation Microstructurale du Tissu Cervical In Vivo et la Détection des Lésions Précancéreuses H/F - 75

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : LPICM - Laboratoire des Interfaces et des Couches Minces
Direction de la thèse : Angelo PIERANGELO
Début de la thèse : 2026-01-01
Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59

Le cancer du col de l'utérus demeure un problème de santé majeur, notamment en raison de la difficulté à le détecter de manière précoce et fiable.
La procédure conventionnelle de détection des lésions précancéreuses repose sur la colposcopie, qui utilise un colposcope (microscope binoculaire à faible grossissement) permettant la visualisation directe de la surface du col utérin après application de colorants tels que l'acide acétique et le lugol. Les zones présentant des colorations anormales sont ensuite biopsiées afin de confirmer, par analyse histologique, la présence éventuelle de lésions précancéreuses. Cependant, la colposcopie conventionnelle présente des limites importantes en termes de sensibilité, de spécificité et de reproductibilité.
Cette thèse vise à exploiter l'imagerie polarimétrique de Mueller multispectrale appliquée à la colposcopie afin d'identifier des biomarqueurs optiques pertinents et robustes, capables de caractériser in vivo la microstructure du tissu cervical et de détecter efficacement les lésions précancéreuses. Dans ce contexte, un colposcope polarimétrique de Mueller multispectral a été conçu et développé au LPICM pour l'exploration in vivo du col de l'utérus.

Le projet doctoral comprend plusieurs volets :
- Optimisation instrumentale du colposcope polarimétrique de Mueller pour un usage clinique, spécifiquement pour l'application envisagée, en garantissant la stabilité, la répétabilité et la robustesse des mesures.
- Acquisition d'images in vivo sur environ 200 patientes, avec standardisation du protocole et localisation précise des zones biopsiées, afin d'assurer une correspondance fiable entre les signatures polarimétriques et les analyses histologiques.
- Analyse polarimétrique et modélisation, incluant la reconstruction des matrices de Mueller et l'extraction de plusieurs paramètres polarimétriques à explorer, ainsi que le développement d'un modèle intégrant les principes physiques et biologiques de l'interaction lumière-tissu. L'objectif est d'identifier les paramètres polarimétriques les plus pertinents afin d'orienter le développement futur de méthodes d'analyse automatisée au sein de l'équipe, incluant des approches d'apprentissage profond, pour la classification des tissus et la détection des zones pathologiques.
- Définition des biomarqueurs polarimétriques les plus pertinents, présentant une signification physique claire, une corrélation robuste avec l'histologie, une excellente répétabilité et un fort pouvoir discriminant pour détecter et classifier les lésions précancéreuses selon leur sévérité.

La thèse fournira un ensemble structuré de biomarqueurs polarimétriques ainsi qu'un modèle physique de référence, prêts pour une validation clinique ultérieure, ouvrant ainsi la voie à l'intégration de la polarimétrie de Mueller comme outil complémentaire à la colposcopie conventionnelle pour une détection précoce efficace des lésions précancéreuses du col de l'utérus.

Le cancer du col de l'utérus représente le quatrième cancer le plus fréquent chez la femme et la quatrième cause de mortalité par cancer, avec environ 600 000 nouveaux cas diagnostiqués et 340 000 décès par an dans le monde.
Dans les pays développés, la diminution de l'incidence et de la mortalité du cancer du col de l'utérus est principalement attribuée aux programmes de dépistage précoce, à l'éducation sanitaire, à l'évolution des comportements sexuels et à la vaccination anti-HPV. En revanche, dans les pays en développement, le cancer du col de l'utérus demeure un problème majeur de santé publique, notamment en raison d'un accès limité au dépistage et à la vaccination.

En France, le programme de dépistage organisé s'adresse aux femmes de 25 à 65 ans. Il repose sur le frottis cervico-utérin (FCU) entre 25 et 29 ans, puis sur la recherche du papillomavirus humain (HPV) entre 30 et 65 ans, avec réalisation d'un FCU en cas de détection du virus. En présence d'anomalies cellulaires, une colposcopie est effectuée afin d'analyser la surface du col de l'utérus à l'aide d'un colposcope (microscope binoculaire à faible grossissement), après application de l'acide acétique et du lugol, afin d'identifier les zones suspectes présentant une coloration anormale et de guider les biopsies pour confirmation histologique.

Cependant, la colposcopie présente plusieurs limites : sa sensibilité est de l'ordre de 60 à 70 %, sa spécificité est inférieure à 50 %, et les variations inter- et intra-observateurs sont importantes, entraînant une reproductibilité limitée. Des discordances sont également observées entre cytologie et colposcopie (10 à 30 % des cas), ainsi qu'entre colposcopie et histologie (16 à 63 % des cas). Ces limitations soulignent la nécessité de développer des outils diagnostiques plus fiables.

Dans ce contexte, l'imagerie polarimétrique de Mueller apparaît comme une technique particulièrement prometteuse pour la détection des lésions précancéreuses du col de l'utérus. Une étude ex vivo menée par notre équipe sur des échantillons de col de l'utérus (pièces de conisation) a montré que la présence de lésions précancéreuses au niveau de l'épithélium malpighien couvrant sa surface entraîne une diminution de l'anisotropie tissulaire, liée à une désorganisation des fibres de collagène dans le stroma sous-jacent. Cette étude a également démontré que l'imagerie polarimétrique de Mueller permet d'identifier les lésions précancéreuses de haut grade avec une sensibilité et une spécificité proches de 90 %, grâce à l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage profond. Par ailleurs, les résultats préliminaires in vivo montrent une bonne cohérence avec les résultats ex vivo.

L'objectif de cette thèse est de déterminer les biomarqueurs polarimétriques les plus pertinents pour détecter efficacement les lésions précancéreuses du col de l'utérus in vivo, dans des conditions réelles de perfusion sanguine et de contraintes mécaniques, susceptibles d'influencer la réponse polarimétrique du tissu cervical par rapport aux mesures ex vivo.

1. Validation et optimisation du Colposcope Polarimétrique de Mueller (CPM) multispectral
conçu et construit au LPICM pour un usage clinique.
--> Établir les conditions d'éclairage optimales.
--> Vérifier la stabilité de la calibration.
--> Vérifier la faisabilité, la validité et la répétabilité des mesures.
--> Vérifier la robustesse face aux artefacts (mouvements, mucus, saignement, etc.).

2. Acquisition des images in vivo.
--> Standardisation du protocole de mesure.
-Définir le moment optimal de l'acquisition des images polarimétriques en
synchronisation avec les gestes cliniques (application de colorants tels que l'acide
acétique et le lugol, prélèvement des biopsies, etc.).
-Établir une méthode précise pour la définition des zones anatomiques d'intérêt.
--> Examen du col de l'utérus d'environ 200 patientes.
--> Localisation des zones biopsiées.
-Identification exacte des régions d'intérêt sur les images polarimétriques pour garantir
une correspondance rigoureuse entre pixels analysés et résultats histologiques.
--> Segmentation standardisée des régions d'intérêt afin d'assurer la comparabilité entre
patientes.

3. Acquisition des informations cliniques
--> Documentation histologique détaillée pour chaque biopsie.
--> Enregistrement du contexte clinique de chaque patiente (infection par l'HPV, âge,
antécédents médicaux, inflammation, etc.).

4. Analyse polarimétrique avancée
--> Reconstruction complète des matrices de Mueller à différentes longueurs d'onde et
extraction de plusieurs paramètres polarimétriques à explorer (indices de
dépolarisation, retardance, diatténuation, et métriques dérivées).
--> Modélisation de la réponse polarimétrique du col de l'utérus.
-Développement d'un modèle intégrant les principes physiques de l'interaction
lumière-tissu ainsi que les contraintes biologiques et médicales.
--> Identification des paramètres polarimétriques les plus pertinents.
-Orienter le développement futur de méthodes d'analyse automatisée au sein de
l'équipe, incluant des approches d'apprentissage profond, pour la classification des
tissus et la détection des zones pathologiques.

5. Analyse statistique avancée.
--> Utilisation de méthodes statistiques multivariées, de modèles prédictifs et d'approches
d'apprentissage automatique.
-Identifier les relations complexes entre les paramètres mesurés et les marqueurs
cliniques.
-Validation de la robustesse des algorithmes développés, évaluation de la performance
diagnostique de l'instrument et garantie de la fiabilité des conclusions tirées des
observations expérimentales.
--> Réduction dimensionnelle et sélection des variables les plus discriminantes, selon les
critères suivants :
-Signification physique claire.
-Corrélation significative avec l'histologie.
-Stabilité et répétabilité.
-Potentiel discriminant.
-Simplicité d'utilisation clinique future.