Imagerie acousto-optique dans les milieux diffusants épais : de l’amélioration technique à l’application pré-clinique ex vivo

Acousto-optic imaging in thick scattering media : from technical enhancement to ex vivo preclinical application

• Auteur / Autrice : Emilie Benoit à la Guillaume
• Direction : François Ramaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustooptique

Holographie numérique

Imagerie ultrasonore

Résumé

Dans les tissus biologiques, la diffusion multiple de la lumière est un obstacle à une imagerie optique de profondeur résolue spatialement. Alliant la localisation ultrasonore à la détection de lumière diffuse, l'imagerie acousto-optique offre une résolution millimétrique en suivant le signal des photons ''marqués'' décalés spectralement de la fréquence des ultrasons, issus de la zone confinée du foyer acoustique. Malgré un signal faible et difficile à séparer de la lumière simplement diffusée, plusieurs techniques de détection existent, capables de produire des images de contraste optique de bonne qualité à travers plusieurs centimètres de milieu diffusant. Testée depuis 20 ans sur des échantillons imitant les propriétés optiques des tissus, l'imagerie acousto-optique reste peu connue des médecins par manque d'application sur des pathologies réelles. La thèse présente les dernières améliorations apportées aux deux techniques de détection des photons marqués à 780 nm que sont l’holographie numérique et photoréfractive, en matière de résolution et de rapidité. De plus, nous démontrons la possibilité de pratiquer l’holographie photoréfractive sans faisceau de référence avec un cristal de BSO à 532 nm. La mise en place d’un système multimodal d’imagerie optique et acoustique, couplant le montage acousto-optique avec un échographe commercial, souligne la complémentarité des deux informations à travers des expériences menées ex vivo sur des tumeurs chez la souris ou des biopsies de foie humain contenant des métastases. Enfin, l’imagerie acousto-optique est utilisée dans le suivi de création de lésion thermique par ultrasons focalisés de grande intensité dans le blanc de poulet.

Spatially resolved optical imaging of biological tissues' depth is hampered by multiple scattering of light. Combining ultrasound localization with detection of scattered light, acousto-optic imaging provides a millimetric resolution by dealing with the ''tagged'' photons that are spectrally shifted of the ultrasound frequency and come from the acoustic focus confined area. Although the signal is weak and difficult to separate from simply scattered light, several techniques for coherent or incoherent detection exist and are able to produce high-quality images of the optical contrast through several inches thick scattering media. Acousto-optic imaging has already been tested for almost 20 years on calibrated samples mimicking the optical properties of tissues. However, it remains practically unknown in the medical community because examples of applications on actual diseases are missing. This thesis presents the latest enhancements in terms of resolution and speed to both coherent detection techniques we use which consist in digital and photorefractive holography. Moreover, we demonstrate the possibility to perform photorefractive holography without any optical reference beam on a BSO crystal at 532 nm. The implementation of a multi-modal imaging system which combines the acousto-optic technique with a commercial ultrasound imaging device highlights the complementarity of both information through ex vivo experiments carried out on mice tumors or human liver biopsies containing metastasis. Finally, tests performed on chicken breast samples show the ability of acousto-optic imaging to monitor the creation of thermal lesions caused by high intensity focused ultrasound.