Traitement et visualisation temps réel dans le domaine fréquentiel spatio-temporel pour le guidage du geste chirurgical

Real-time processing and visualization in the spatio­temporal frequency domain for surgical guidance

• Auteur / Autrice : Enagnon Aguenounon
• Direction : Sylvain Gioux, Wilfried Patrick Uhring
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Gigan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Gioux, Wilfried Patrick Uhring, Sylvain Gigan, Walter Blondel, Foudil Dadouche, Hamid Dehghani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Gigan, Walter Blondel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Imagerie spectroscopique

Imagerie interventionnelle

Chirurgie -- Pratique

Mots clés libres

Imagerie optique diffuse

Spatial Frequency Domain lmaging

Imagerie multispectral

Chirurgie guidée par l'imagerie

Système temps réel

GPGPU

Diffuse optical imaging

Spatial frequency domain imaging

Multispectral imaging

Real-time system

Image-guided surgery

GPGPU

Résumé

L'imagerie optique diffuse a le potentiel pour apporter énormément à la chirurgie guidée par l'imagerie. L'une de ses méthodes appelée SFDI pour « Spatial Frequency Domain lmaging » permet d'extraire les propriétés optiques d'un tissu à partir de lumière structurée et en utilisant ces mesures acquises à plusieurs longueurs d'onde nous pouvons remonter aux informations physiologiques et structurelles interprétable par le chirurgien. Cette thèse consacrée au développement d'un instrument d'imagerie temps réel pour la chirurgie se base sur SSOP « Single Snapshot imaging of Optical Properties » l'implémentation à acquisition rapide de SFDI. Pour atteindre nos objectifs, nous avons conçu un système qui utilise la modulation spatio-temporelle de lumière, où SSOP est encodée spatialement et temporellement nous encodons les longueurs d'ondes. Au nombre de nos développements, nous avons proposé deux méthodes, une dans le domaine de Fourier et une à apprentissage profond pour l'amélioration de la qualité visuelle et de la précision des résultats SSOP. Un système à deux longueurs d'ondes (665nm et 860nm) a été créé et nous l'avons ensuite validé in vivo pour la mesure du taux de saturation en oxygène et démontrer qu'il peut détecte l'ischémie d'un tissu. Enfin, pour garantir le traitement et la visualisation temps réel, tous les algorithmes développés ont été implémentés sur processeur graphique GPU. Somme toute, aujourd'hui, nous disposons du premier système d'imagerie permettant de visualiser en temps réel et sur un large champ de vue le taux oxygénation d'un tissu. En perspectives, nous envisageons de faire évoluer le système pour mesurer les taux de lipides, de mélanine et d'eau et ensuite de le valider au cours d'étude pré-cliniques.

Diffuse optical imaging has a significant potential for image-guided surgery. One of its methods called SFDI for Spatial Frequency Domain lmaging allows to extract the optical properties of biological tissue from structured light and using these measurements acquired at several wavelengths we can retrieve physiological and structural information interpretable by the surgeon. This thesis on the development of a real-time imaging instrument for surgery is based on SSOP "Single Snapshot imaging of Optical Properties" the rapid acquisition implementation of SFDI. To achieve our goals, we designed a system that uses spatiotemporal light modulation, where spatially we encode SSOP and temporally we encode wavelengths. Among our developments, we have proposed two methods, one in Fourier domain and one with deep learning for improving the visual quality and accuracy of SSOP results. A two-wavelength system (665nm and 860nm) was designed and we then validated it in vivo to measure the oxygen saturation rate and demonstrate that it can detect the ischemia of a tissue. Finally, to ensure real-time processing and visualization, ail algorithms developed were implemented on GPU (Graphies Processing Unit). ln conclusion, today we have the first imaging system capable of visualizing saturated oxygenation level in real-time and over a wide field of view. As perspectives, we plan to evolve the system to measure lipids, melanin and water levels and then validate it in pre-clinical studies.