Quantitative photoacoustic tomography for breast cancer screening

par Ningning Song

Thèse de doctorat en Optique, photonique et traitement d'image

Sous la direction de Carole Deumié-Raviol et de Anabela Da Silva.

Soutenue le 29-09-2014

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Institut Fresnel (Marseille, France) (laboratoire) et de Institut FRESNEL (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Tomographie photoacoustique quantitative pour le dépistage du cancer du sein


  • Résumé

    Ces travaux de thèse sont motivés par le développement de techniques d’imagerie alternatives pour le diagnostic précoce du cancer du sein. Parmi celles-ci, l’imagerie photoacoustique couple potentiellement les avantages de deux modalités d’imagerie non-invasives, à savoir la quantification de contrastes physiologiques du fait de l’excitation optique et la haute résolution du fait d’un sondage acoustique.Le but de ces travaux est de proposer une modélisation multiondes du phénomène photoacoustique, et d’incorporer ce modèle dans un algorithme de reconstruction efficace pour résoudre le problème inverse. Celui-ci se rapporte à la reconstruction de cartes de propriétés physiques (optique et/ou acoustiques) de l’intérieur du sein. La Méthode des Eléments Finis (MEF) a été retenue pour résoudre l’équation de propagation optique. Pour la résolution de l’équation de propagation acoustique, une méthode semi-analytique, basée sur des calculs par transformées de Fourier (méthod k-space), a été choisie. Pour la résolution du problème inverse, deux approches ont été étudiées : i) un sondage passif, permettant de remonter à la distribution de pression initiale, à l’aide de la méthode de retournement temporel ; ii) un sondage actif, où l’on interroge le milieu sélectivement sous différentes excitations, permettant de remonter quantitativement aux propriétés optiques du milieu. On appelle cette dernière approche Tomographie PhotoAcoustique Quantitative (TPAQ). Une étude spécifique sur le protocole d’illumination/détection a été conduite, prenant également en compte les contraintes expérimentales.


  • Résumé

    The present work was motivated by the development of alternative imaging techniques for breast cancer early diagnosis, that is photoacoustic imaging, which potentially couples the merits of optical imaging and ultrasound imaging, that is high optical functional contrasts brought by optical probing and high spatial resolution by ultrasound detection. Our work aims at modeling the photoacoustic multiwave phenomenon and incorporate it in an efficient reconstruction algorithm to solve the inverse problem. The inverse problem consists in the recovery of interior maps of physical properties of the breast. The forward model couples optical and acoustic propagations. The Finite Element Method (FEM) was chosen for solving the optical propagation equation, while a semi-analytical method based on Fourier transforms calculations (k-space method) was preferred for solving the acoustic propagation equation. For the inverse model, time reversal method was adopted to reconstruct the initial pressure distribution, an active approach of the inverse problem was also achieved, which decoupled the optical properties from measured photoacoustic pressure, this approach is called quantitative photoacoustic tomography (QPAT), in this approach, illumination/detection protocol was studied, and the experimental set up is also take into consideration. In the last step, photoacoustic pressure measurements obtained from experiment and simulation are studied and compared.


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