Nouvelles méthodes basées sur l'analyse du speckle pour l'imagerie et le suivi du débit sanguin in vivo

New laser speckle methods for in vivo blood flow imaging and monitoring

• Auteur / Autrice : Claudia Patricia Valdés Escobar
• Direction : Turgut Durduran, Anabela Da Silva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d'Image
• Date : Soutenance le 15/12/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Universitat politècnica de Catalunya - BarcelonaTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Wallois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Turgut Durduran, Anabela Da Silva, Melike Lakadamyali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Wallois, Melike Lakadamyali

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sang -- Débit

Granularité (optique)

Mots clés libres

Imagerie cérébrale

Speckles

Débit sanguin

Brain imaging

Speckles

Blood flow

Résumé

Le débit sanguin et sa régulation sont des indicateurs importants de la santé des tissus. Leur mesure a de nombreuses applications en recherche fondamentale et clinique. Certaines techniques optiques constituent un moyen intéressant pour la mesure du débit sanguin, car en général elles sont peu invasives et relativement abordables car elles utilisent des systèmes d'illumination continus. Pendant ma thèse, j'ai contribué au développement de techniques de suivi de la circulation sanguine dans des modèles animaux avec la construction d'un dispositif multimodal basé sur la fluxmétrie laser et sur l'imagerie des signaux optiques intrinsèques, capable de mesurer les paramètre hémodynamiques microvasculaire au niveau superficiel du cerveau. Ce dispositif, testé sur des modèles animaux d'accident vasculaire cérébral, est adaptable et peut être utilisé à d'autres fins. En parallèle, j'ai mis au point des nouvelles méthodes expérimentales et des protocoles de traitement d'images qui ont permis de réaliser des études longitudinales. En outre, ce dispositif a été utilisé dans une étude multidisciplinaire pour comprendre le rôle d'une protéine impliquée dans le cas de lésions de reperfusion après un accident vasculaire cérébral ischémique dans des modèles animaux. Ma contribution majeure réside dans le développement de l'imagerie de contraste de speckle spectroscopique et tomographique, nouvelle technique d'imagerie 3D non invasive pour la mesure du débit sanguin en profondeur. Dans l'ensemble, ces contributions permettront le développement de méthodes tomographiques non invasives rentables pour la mesure du débit sanguin chez l'homme.

Blood flow and its regulation are important for the health of tissues and its measurement has many applications in research and clinical environments. Optical techniques are often attractive for the non- or minimally-invasive, continuous and relatively inexpensive measurement of blood flow. This work contributes to the monitoring of blood flow in translational research with the construction of a multimodal device, based on laser speckle flowmetry and optical intrinsic signals, capable of measuring superficial microvascular cerebral blood flow, blood oxygenation and blood volume. This device was applied in animal models of ischemic stroke and is flexible to be modified and used for other purposes. In doing so, I have developed new experimental methods and image processing protocols that allowed us to perform longitudinal studies where the animal can be removed from the device several times. This device has also been used to elucidate the role of the Mannose-binding lectin protein in reperfusion injury after an ischemic stroke in animal models. This led to the main contribution of this work: the development of the speckle contrast optical spectroscopy and tomography, a new non-invasive, optical technique for deep blood flow measurement that paves the way for deeper and three dimensional imaging of blood flow. This new method was first developed from a theoretical perspective. Then it was validated in tissue simulating phantoms and demonstrated to be feasible in measurements on the human arm muscle. Overall, these contributions will allow the development of cost-effective, non-invasive tomographic methods for the measurement of blood flow even in humans.