Imagerie photoacoustique multispectrale 3D

Contexte

L’effet photoacoustique (PA) consiste à générer une onde acoustique ultrasonore à partir d’une illumination optique (impulsions laser) des tissus biologiques. La reconstruction des signaux acoustiques reçus sur une sonde ultrasonore permet alors de réaliser une image dite photoacoustique qui est superposée à l’imagerie échographique classique. On réalise ainsi une imagerie dite hybride associant les avantages de l’imagerie optique et de l’imagerie acoustique : l’imagerie échographique apporte une information anatomique et structurelle du milieu tandis que l’imagerie photoacoustique apporte une information fonctionnelle car la quantité d’énergie optique absorbée est fonction de la composition du milieu et de la longueur d’onde optique utilisée. En particulier, l’absorption optique du sang varie en fonction de ses propriétés (taux d’oxygénation par exemple) et varie également en fonction de la longueur d’onde du laser. Le laboratoire Creatis dispose d’une plateforme d’imagerie photoacoustique permettant l’acquisition de ce type d’imagerie hybride. Les applications de caractérisation tissulaire seront visées durant thèse dans le cadre d’une collaboration avec le Professeur Laurent Fanton (médecin légiste, HCL). Les méthodes développées pendant la thèse apporteront des informations sur la mort tissulaire, la quantification des hématomes, la caractérisation du sang oxygéné et désoxygéné.

Objectif

L’objectif de la thèse est de développer et de valider une méthode d’imagerie multispectrale photoacoustique 3D pour la caractérisation tissulaire. Elle comporte trois objectifs intermédiaires qui sont 1) le développement d’algorithmes de classification des images PA multispectrales 3D 2) l’acquisition d’images photoacoustiques sur des fantômes imitant les propriétés des tissus biologiques 3) la validation des méthodes sur des fantômes et sur des tissus biologiques excisés.

Méthodologie

L’imagerie photoacoustique 3D est actuellement réalisée dans le cadre d’une thèse en cours au laboratoire (financement européen ITN Oiltebia) et permet l’obtention d’image hybride 3D.

L’imagerie PA multispectrale consiste, en faisant varier la longueur d’onde initiale, à créer une image où pour chaque pixel, nous obtiendrons l’évolution des échos en fonction de la longueur d’onde. Chaque absorbeur optique ayant un spectre d’absorption caractéristique, il sera possible de créer une cartographie des milieux imagés. La réalisation de cette cartographie est un des challenges de la thèse. Divers développements méthodologiques seront nécessaires pour réaliser une classification aveugle ou contrainte des milieux présents :

- Travail en simulation : grâce à des outils de simulation, tel que k-wave, différentes simulations pourront être réalisées afin de générer un jeu de données conséquent qui permettra de valider/vérifier l’ensemble des cas investigués. Cette étape est capitale afin de pouvoir tester, sur une même situation, un ensemble de traitements et de les quantifier entre eux.

- Travail expérimental in vitro : grâce aux fantômes développés au sein du laboratoire, les méthodes retenues seront testées sur des signaux expérimentaux provenant de situation maitrisée : utilisation d’encres et de pigments calibrés comme absorbeurs optiques.

- Faisabilité in vivo : afin de valider la chaîne complète d’acquisition et de traitement, l’imagerie d’échantillons biologiques sera réalisée afin de quantifier les propriétés du sang et réaliser la caractérisation tissulaire, en particulier pour des hématomes et pour dater la morbidité des tissus.

Les niveaux d’énergie optique mis en jeu doivent respecter les règlementations et rendent difficile l’utilisation directe des acquisitions. Une étape de filtrage et de débruitage devra être développée.

La sensibilité de l’imagerie PA à l’orientation en 3D des vaisseaux sanguins sera également étudiée. En effet, il est reconnu que certaines orientations des absorbeurs optiques ne génèrent pas le signal PA attendu. Il sera donc nécessaire, afin de maximiser la quantité de signal PA exploitable, de modéliser cette sensibilité acoustique afin d’en tenir compte dans les algorithmes de détection / quantification / débruitage.

Collaborations

CEA-LETI-Grenoble

Professeur Laurent Fanton, Hopitaux Civils de Lyon

Un séjour doctoral en Italie chez un de nos partenaires sera envisagé pour le développement d’une sonde échographique dédiée à l’application médicale

Pour candidater

Mention AB minimum à l’écrit du Master (mention Bien souhaitée)

Envoyer CV, lettre de motivation, notes du master à francois.varray@creatis.insa-lyon.fr