Photoacoustic imaging : contributions to optical-resolution photoacoustic endoscopy and experimental investigation of thermal nonlinearity

• Auteur / Autrice : Olivier Simandoux
• Direction : Emmanuel Bossy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dilatation (thermodynamique)

Spectroscopie optoacoustique

Endoscopie

Résolution (optique)

Imagerie

Résumé

L'imagerie photoacoustique est une technique hybride qui permet d'obtenir à plusieurs centimètres de profondeur dans les tissus biologiques des images de l'absorption optique avec la résolution des ultrasons. Des agents de contraste peuvent être utilisés pour améliorer le contraste ou imager des récepteurs spécifiques de maladies, mais il existe un compromis entre résolution et profondeur d'imagerie. Cependant, la détection spécifique d'agents de contraste peut nécessiter l'utilisation de l'imagerie multispectrale qui reste un défi à cause de la propagation complexe de la lumière dans les tissus biologiques. Cette thèse propose une nouvelle approche pour la microscopie photoacoustique à résolution optique (OR-PAM) de l'ordre du micron È plusieurs centimètres de profondeur dans les tissus, et étudie expérimentalement la possibilité d'améliorer la détection de nanosphères d'or grâce à la non-linéarité photoacoustique d'origine thermique. Il est d'abord montré que des images OR-PAM peuvent être générées à l'extrémité distale d'une fibre optique multimode grâce à la conjugaison de phase numérique. Il est ensuite montré que des images OR-PAM peuvent être transmises à travers les tissus en les guidant acoustiquement dans un capillaire de silice. Des expériences préliminaires suggèrent que les deux approches précédentes pourraient être combinées pour acquérir des images ORLPAM à travers plusieurs centimètres de tissus via un unique capillaire de silice. Enfin, il est monta que des solutions aqueuses de colorant et de nanosphères d'or peuvent être discriminées grâce à la non-linéarité thermique et la dépendance de l'amplitude photoacoustique avec la fluence ou la température.

Photoacoustic imaging is a new hybrid imaging technique that provides images of optical absorption at centimeters depth in biological tissues with the resolution of ultrasound. Exogenous contrast agents such as gold nanoparticles can also be used to enhance image contrast and image disease-specific receptors. However, there is a trade-off between resolution and imaging depth. Moreover, specific detection of exogenous contrast agents often requires the use of multispectral imaging which can be challenging because of the complex propagation of light in biological tissues. This thesis presents a new approach to micron-scale optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) at centimeters depth based on a minimally-invasive endoscope, and experimentally investigates the possibility of improving gold nanospheres detection based on thermal nonlinear photoacoustic generation. It is first shown that OR-PAM images can be generated at the distal tip of a multimode fiber by use of digital phase conjugation. It is then shown that OR-PAM images can b transmitted through tissue in a silica-capillary acoustic waveguide for remote detection at the tissue surface. Preliminary experiments suggest that the two previous approaches could be combined in a setup based on a unique silica capillary acting both as an optical and an acoustic waveguide to acquire OR-PAM images at centimeters depth in tissues. Finally, it is shown that organic-dye and gold-nanospheres aqueous solutions can be discriminated thanks to thermal nonlinearity, based on the dependence of the photoacoustic amplitude with fluence or temperature.