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Quantification en imagerie optique diffuse cérébrale : analyse du signal et étude du problème direct
Physiologie -- Physiologie cérébrale humaine -- Couplage neurovasculaire -- Les vaisseaux sanguins cérébraux : les principaux sinus -- Imagerie optique diffuse et analyse du signal -- Définition du problème -- Problème direct -- Problème inverse -- Méthode d'analyse en imagerie optique diffuse -- Neuronavigation IRM-IOD -- IRM fonctionnelle -- Physique de l'IRM -- Neuronavigation -- Équipement de neuronavigation et de visualisation -- Analyse de la sensibilité -- Inverted responses in diffuse optical imaging and their correlation with negative BOLD signal -- Materials and methods -- Results -- Quantification -- Problème direct en imagerie optique diffuse -- Segmentation des tissus à partir de données IRMa -- Simulation Monte Carlo -- Formulation du problème -- Discrétisation et mise en oeuvre numérique -- Hybrid boundary element method applied to volumetric diffuse optical tomography -- Definition of the problem -- Born approximation -- Numerical discretization -- Results
Développement d'un système d'imagerie photoacoustique pour application à l'athérosclérose
RÉSUMÉ
La tomographie photoacoustique est une nouvelle modalité d'imagerie préclinique non
invasive combinant l'imagerie optique et les ultrasons. Dans le présente forme, elle permet
de mesurer la distribution initiale de pression acoustique générée par l'absorption photonique
dans les tissus biologiques, et réflète ainsi les propriétés optiques du spécimen examiné.
Cette technique s'appuie notamment sur la diffusion optique dans les tissus pour approfondir
le champ d'imagerie par rapport aux techniques d'imagerie optique fonctionnant dans
les régimes balistique ou quasi-balistique. Par exemple, elle pourrait notamment permettre
l'imagerie des structures profondes chez des modèles murins, qui sont fréquemment utilisés
en recherche translationnelle. En outre, les principaux absorbants dans les tissus tels que
l'oxyhémoglobine, la désoxyhémoglobine et les lipides, ainsi que les agents de contraste exogènes ont un profil d'absorption distinct qui pourrait être mis à profit par les techniques de différenciation multispectrales.
L'objectif global de ce projet est d'appliquer la tomographie photoacoustique pour l'imagerie
du système vasculaire chez la souris, et plus spécifiquement l'imagerie moléculaire de
la plaque d'athérosclérose. L'imagerie moléculaire vise la détection non invasive de sondes
ciblées, dans le but d'apporter une information complémentaire aux données anatomiques.
Présentement, plusieurs modalités d'imagerie moléculaire peuvent être appliquées à la détection
de la plaque d'athérome. Cependant, aucune ne parvient à s'imposer sur tous les critères
décisionnels tels que la sensibilité, la résolution spatiale ou temporelle, le niveau d'exposition
à des rayonnements ionisants, la profondeur de pénétration ou le coût. L'imagerie photoacoustique
est une modalité hybride entre les techniques optiques et l'imagerie ultrasonore,
qui profite donc de la sensibilité de l'optique avec la résolution spatiale ultrasonore.
L'arche aortique a été choisie comme région d'intérêt ciblée pour ce projet. En effet, il
s'agit du lieu de formation précoce de la plaque chez des modèles de souris athérosclérotiques ;
elle fournit également des repères anatomiques uniques permettant un repositionnement précis
pour des études répétées d'imagerie. À ce jour, très peu d'études ont été consacrées au
système cardiovasculaire en photoacoustique. Les résultats de cette thèse constituent donc
une contribution originale au domaine. Étant donné que le sang est à l'origine d'un fort
contraste photoacoustique endogène, l'observation de ce contraste purement vasculaire est
une condition favorable à la faisabilité de l'imagerie moléculaire dans cette région. Aussi, la
majeure partie de ce travail est orientée vers l'obtention de ce contraste sanguin in vivo chez
la souris..----------ABSTRACT
Photoacoustic tomography has emerged as a new preclinical imaging modality combining
optical and ultrasound techniques. In the present implementation, photoacoustic imaging is
used to recover the initial distribution of pressure generated by optical absorption in biological
tissues. Further computation could allow the recovery of optical properties such as the optical
absorption map. This technique relies on optical diusion in turbid media in order to get a
deeper eld-of-view compared to optical modalities in the ballistic or nearly ballistic regimes.
For instance, it could allow imaging of deep structures or organs in murin models, which
are commonly found in translational research. Moreover, the main endogenous absorbing
components of tissues such as oxy- or deoxyhemoglobin, lipids, or exogenous contrast agents
have a specic absorption prole that could feed multispectral unmixing techniques.
The main goal of this projet is to apply photoacoustic tomography for vascular imaging
in mice. More specically, the technique is to be applied toward molecular imaging of
atherosclerotic plaque. Molecular imaging is directed to noninvasive detection of targeted
probes, in order to supplement anatomical data with complementary molecular information.
Currently, several imaging modalities can be used to detect the atheroma. However, for each
application a compromise must be made given that no technique is able to impose itself
with respect to all decision criterias such as sensitivity, spatial or temporal resolution, level
of exposure to ionizing radiation, depth of penetration or cost. Photoacoustic imaging is
an hybrid modality evolving between optical techniques and conventionnal ultrasound imaging,
and therefore benets from the high sensitivity of optics as well as ultrasound spatial
resolution.
For this project, the aortic arch has been dened as the targeted region of interest. Indeed,
this area is prone to early plaque formation in atherosclerotic mice models and provides unique
landmarks for repositioning in repeated studies. To date, very few studies have investigated
the cardiovascular system in photoacoustics. Hence, the results of this thesis are an original
contribution to the eld. Photoacoustic measurements are very sensitive to whole blood, and
therefore the detection of vascular contrast represents a window of opportunity for molecular
imaging. The main accomplishments of this work have been done toward the detection of
vascular contrast in vivo in mice.
In the rst part of the thesis, we simulated the direct problem in photoacoustics. The
purpose of this methodological objective was to estimate the order of magnitude of the depth
of penetration of light in turbid or vascular tissues. The simulated pressure signal was rst
investigated by varying multiple parameters such as the source dimensions, homogeneity an