An open real-time photoacoustic imaging scanner

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Imagerie photoacoustique multispectrale 2D et 3D - Application à l'évaluation de la concentration en oxygène dans le sang -

Photoacoustic imaging is a functional technique based on the creation of acoustic waves from tissues excited by an optical source (laser pulses). The illumination of a region of interest, with a range of optical wavelengths, allows the discrimination of the imaged media. This modality is promising for various medical applications in which growth, aging and evolution of tissue vascularization have to be studied. Thereby, photoacoustic imaging provides access to blood oxygenation in biological tissues and also allows the discrimination of benign or malignant tumors and the dating of tissue death (necrosis).The present thesis aims at developing a multispectral photoacoustic image processing chain for the calculation of blood oxygenation in biological tissues. The main steps are, first, the data discrimination (clustering), to extract the regions of interest, and second, the quantification of the different media in these regions (unmixing).Several unsupervised clustering and unmixing methods have been developed and their performance compared on experimental multispectral photoacoustic data. They were acquired on the experimental photoacoustic platform of the laboratory, during collaborations with other laboratories and also on a commercial system. For the validation of the developed methods, many phantoms containing different optical absorbers have been produced. During the co-supervision stay in Italy, specific imaging modes for 2D and 3D real-time photoacoustic imaging were developed on a research scanner. Finally, in vivo acquisitions using a commercial system were conducted on animal model (mouse) to validate these developments.L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie fonctionnelle basée sur la génération d'ondes acoustiques par des tissus soumis à une illumination optique (impulsion laser). L'utilisation de différentes longueurs d'ondes optiques permet la discrimination des milieux imagés. Cette modalité est prometteuse pour de nombreuses applications médicales liées, par exemple, à la croissance, au vieillissement et à l'évolution de la vascularisation des tissus. En effet, l'accès à l'oxygénation du sang dans les tissus est rendu possible par l'imagerie photoacoustique. Cela permet, entre autres applications, la discrimination de tumeurs bénignes ou malignes et la datation de la mort tissulaire (nécrose).Ce travail de thèse a pour objectif principal la construction d'une chaîne de traitement des données photoacoustiques multispectrales pour le calcul de l'oxygénation du sang dans les tissus. Les principales étapes sont, d'une part, la discrimination des données (clustering), pour extraire les zones d'intérêt, et d'autre part, la quantification des différents constituants présents dans celles-ci (unmixing). Plusieurs méthodes non supervisées de discrimination et de quantification ont été développées et leurs performances comparées sur des données photoacoustiques multispectrales expérimentales. Celles-ci ont été acquises sur la plateforme photoacoustique du laboratoire, lors de collaborations avec d'autres laboratoires et également sur un système commercial. Pour la validation des méthodes développées, de nombreux fantômes contenant différents absorbeurs optiques ont été conçus. Lors du séjour de cotutelle de thèse en Italie, des modes d'imagerie spécifiques pour l'imagerie photoacoustique 2D et 3D temps-réel ont été développés sur un échographe de recherche. Enfin, des acquisitions in vivo sur modèle animal (souris) au moyen d'un système commercial ont été réalisées pour valider ces développements

Imagerie photoacoustique multispectrale 2D et 3D - Application à l'évaluation de la concentration d'oxygène dans le sang

L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie fonctionnelle basée sur la génération d'ondes acoustiques par des tissus soumis à une illumination optique (impulsion laser). L'utilisation de différentes longueurs d'ondes optiques permet la discrimination des milieux imagés. Cette modalité est prometteuse pour de nombreuses applications médicales liées, par exemple, à la croissance, au vieillissement et à l'évolution de la vascularisation des tissus. En effet, l'accès à l'oxygénation du sang dans les tissus est rendu possible par l'imagerie photoacoustique. Cela permet, entre autres applications, la discrimination de tumeurs bénignes ou malignes et la datation de la mort tissulaire (nécrose). Ce travail de thèse a pour objectif principal la construction d'une chaîne de traitement des données photoacoustiques multispectrales pour le calcul de l'oxygénation du sang dans les tissus. Les principales étapes sont, d'une part, la discrimination des données (clustering), pour extraire les zones d'intérêt, et d'autre part, la quantification des différents constituants présents dans celles-ci (unmixing). Plusieurs méthodes non supervisées de discrimination et de quantification ont été développées et leurs performances comparées sur des données photoacoustiques multispectrales expérimentales. Celles-ci ont été acquises sur la plateforme photoacoustique du laboratoire, lors de collaborations avec d'autres laboratoires et également sur un système commercial. Pour la validation des méthodes développées, de nombreux fantômes contenant différents absorbeurs optiques ont été conçus. Lors du séjour de cotutelle de thèse en Italie, des modes d'imagerie spécifiques pour l'imagerie photoacoustique 2D et 3D temps-réel ont été développés sur un échographe de recherche. Enfin, des acquisitions in vivo sur modèle animal (souris) au moyen d'un système commercial ont été réalisées pour valider ces développements.Photoacoustic imaging is a functional technique based on the creation of acoustic waves from tissues excited by an optical source (laser pulses). The illumination of a region of interest, with a range of optical wavelengths, allows the discrimination of the imaged media. This modality is promising for various medical applications in which growth, aging and evolution of tissue vascularization have to be studied. Thereby, photoacoustic imaging provides access to blood oxygenation in biological tissues and also allows the discrimination of benign or malignant tumors and the dating of tissue death (necrosis). The present thesis aims at developing a multispectral photoacoustic image processing chain for the calculation of blood oxygenation in biological tissues. The main steps are, first, the data discrimination (clustering), to extract the regions of interest, and second, the quantification of the different media in these regions (unmixing). Several unsupervised clustering and unmixing methods have been developed and their performance compared on experimental multispectral photoacoustic data. They were acquired on the experimental photoacoustic platform of the laboratory, during collaborations with other laboratories and also on a commercial system. For the validation of the developed methods, many phantoms containing different optical absorbers have been produced. During the co-supervision stay in Italy, specific imaging modes for 2D and 3D real-time photoacoustic imaging were developed on a research scanner. Finally, in vivo acquisitions using a commercial system were conducted on animal model (mouse) to validate these developments

Spectrophotometry and photoacoustic imaging: a comparative study

International audiencePhotoacoustic imaging is a hybrid modality that is used to image biological tissues. Using multispectral optical excitation, a functional image is obtained due to the tissue specific optical absorption that depends on the wavelengths. To classify multispectral photoacoustic images, supervised methods are classically used. However, definition of the reference spectra is often difficult, and this choice can have a large impact on the classification results. A possible approach to build relevant reference spectra is to use spectrophotometry. This study aims at comparing absorbance measured by a spectrophotometer and multispectral photoacoustic signals of various coloured phantoms. We compare qualitatively the shape of the spectra obtained, using these two modalities for each sample. Our data suggest that spectrophotometry is a promising way to define reference spectra for classification of multispectral photoacoustic datasets

SPECTROSCOPIE OPTIQUE ET IMAGERIE PHOTOACOUSTIQUE : ETUDE COMPARATIVE

International audienceL’imagerie photoacoustique (PA) repose sur l’illumination d’une zone d’intérêt par des impulsions laser qui permettent une expansion thermoélastique des tissus. De celle-ci résulte la création d’ondes ultrasonores spécifiques à chaque milieu en fonction de l’absorption optique. Ces ondes sont détectées à la surface par une sonde échographique et permettent la reconstruction d’images PA de la zone d’intérêt. L’absorption optique est fonction de la longueur d’onde, la réponse PA l’est donc également. L’acquisition d’images PA à différentes longueurs d’ondes permet la caractérisation de tissus par leurs réponses multispectrales PA [1]. Cette étude vise à comparer la réponse multispectrale PA, mesurée expérimentalement, et l’absorption optique mesurée par spectroscopie pour le développement de fantômes multi-modaux complexes et la validation de méthodes de classifications multispectrales. Les milieux imagés sont des fantômes en agar colorés par six encres

Quantification of multispectral photoacoustic images: unsupervised unmixing methods comparison

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In Vitro and In Vivo Multispectral Photoacoustic Imaging for the Evaluation of Chromophore Concentration

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Gas characterization based on a snapshot interferometric imaging spectrometer

International audienceModern atmospheric gas monitoring applications demand progressively better performances with regards to spatial, spectral and temporal resolutions. In this context, great potential is shown by a newly developed family of cutting-edge snapshot imaging spectrometers based on Fabry-Perot interferometry, whose conceptual design was patented under the name ImSPOC. Three different sensor prototypes based on the ImSPOC concept are under development: 1) in the near infrared wavelength range for CH4 or H2S detection, 2) in ultraviolet and visible range for NO2 , O4 , O3 and O2 characterisation and 3) specifically for CO2 monitoring. After the realisation of these prototypes there is the need arose to provide intelligible and well-calibrated acquisitions for the final users. This study presents the ImSPOC concept from the signal processing point of view, framing the optical transformations performed in the instruments under an appropriate mathematical model formulation. Additionally, preliminary developments are presented to address the first step of the signal processing pipeline for this instrument: the estimation of the thickness of each interferometer. This is a fundamental step for obtaining calibrated acquisitions that could then be used for gas monitoring