Academic literature on the topic 'Imagerie acousto-optique'

Imager un milieu diffusant épais par voie optique interdit l'utilisation des techniques d'imagerie optique conventionnelles du fait de la faiblesse du signal balistique. L'imagerie acousto-optique de la lumière diffusée permet d'obtenir une imagerie de l'absorption optique locale avec une résolution transverse millimétrique. Elle s'appuie sur un faisceau acoustique focalisé qui engendre par interaction acousto-optique une modulation de la phase du champ lumineux diffusé. Les détections cohérentes du signal optique modulé acoustiquement se trouvent cependant souvent limitées par la faiblesse de leur étendue optique ou de leur bande passante. Notre expérimentation s'appuie sur une détection photoréfractive hétérodyne reposant sur une holographie dynamique à 1064nm construite autour d'un cristal photoréfractif massif d'Arsenure de Gallium, pour pallier à ces deux limitations. Par ailleurs, pour obtenir une résolution millimétrique selon l'axe de propagation ultrasonore, nous avons développé une technique de modulation aléatoire de phase du faisceau acoustique et du faisceau lumineux qui crée une zone de cohérence temporelle contrôlée au sein même du milieu diffusant. La mise en oeuvre de ces techniques ont permis d'imager avec des résolutions millimétriques des échantillons diffusants de caractéristiques proches des tissus biologiques sur une épaisseur de 3cm.

La localisation par la Lumière d’objets millimétriques ou sub-millimétriques dans des milieux épais fortement diffusants de plusieurs centimètres d’épaisseur est un réel challenge dans de nombreux domaines comme par exemple la Sécurité (détection de produits dangereux, détection en environnement hostile), mais aussi à la Biologie et la Médecine (détection de tumeurs, balles, études fonctionnelles, ....). La lumière apporte des informations complémentaires (spécificité, concentration, fonctionnalité) grâce à sa sensibilité spectrale, par exemple dans la fenêtre thérapeutique optique (600-1100nm). Le problème majeur est alors celui lié à la diffusion multiple de la lumière qui empêche toute imagerie conventionnelle. La localisation peut cependant être obtenue en appliquant simultanément une excitation ultrasonore (US), balistique dans ces milieux jusqu’à la dizaine de MHz, et en mesurant la quantité de lumière qui a été marquée par les US suite à l’effet acousto-optique (essentiellement un décalage de fréquence sur la porteuse laser). Cette technique est étudiée sous plusieurs angles par quelques laboratoires dans le monde et notamment de manière expérimentale par une équipe à l’Institut Langevin à Paris et de manière numérique au Laboratoire Medical Physics and Bioengineering, UCL à Londres. L’objectif de ma thèse est de mettre en commun le savoir-faire des deux équipes afin d’obtenir des mesures quantitatives des propriétés optiques locales de milieux diffusant<br>The optical properties of biological tissues are of significant clinical interest. Such media are highly scattering to the near-infrared light which offers the required contrast, and consequently purely optical approaches to imaging tissues at depth suffer from limited spatial resolution. Acousto-optic imaging is a multi-modal technique which overcomes this problem by combining the optical contrast of near infra-red light with the spatial resolution of ultrasound, permitting millimetre resolution at depths of several centimetres. Raw measurements made using the acousto-optic technique are corrupted by the varying optical fluence in the medium. By using inverse problem base reconstructions algorithms, it is possible to reconstruct a map of the absorption coefficient inside the medium. My PhD is conducted between Institut Langevin, in Paris, where my acousto- optics imaging setup is and the Medical Physics and Bioengineering lab in UCL, in London where I work on the reconstruction algorithms in order to achieve quantitative measurement

L'imagerie médicale optique est limitée par la perte de résolution spatiale due à la diffusion des tissus biologiques. L'imagerie acousto-optique permet de palier à ce problème car elle utilise à la fois de lumière et des ondes ultrasonores. Par conséquent elle donne accès au contraste optique local en profondeur dans les tissus biologiques avec la résolution submillimétrique des ultrasons. Diverses méthodes interférométriques ont été développées pour détecter le signal acousto-optique, mais elles ne sont pas adaptées à l'imagerie in vivo. Au cours de cette thèse nous avons développé un filtre spectral intrinsèquement robuste à une mise en œuvre in vivo et capable de filtrer le signal de photons marqués. Ce filtre est basé sur le phénomène de creusement spectral, il est réalisé dans un cristal de grenat d'yttrium aluminium dopé au thulium (Tm:YAG) sous champ magnétique. Le manuscrit décrit d'abord la caractérisation du filtre spectral en condition d'imagerie. Ensuite nous présentons le montage expérimental qui a permis d' imager un gel diffusant simulant un tissu biologique. Dans la suite nous avons changé le laser principal et nous l'avons asservi en fréquence dans le but d'augmenter le niveau de maturation de la technologie. Enfin, la dernière partie du manuscrit détaille comment l'expérience a été compactée pour être apportée à un laboratoire pharmaceutique afin de lancer une campagne d'imagerie in vivo<br>Optical imaging for Medicine is limited by the spatial resolution loss due to light scattering in turbid media. A hybrid imaging method called ultrasound optical tomography can overcome this botteneck. Indeed the simultaneous use of light and ultrasound gives access to optical contrast in depth within scattering medium with the ultrasounds resolution. Several interferometric methods have been developed in order to detect an acousto-optic signal. However, none of them is adapted to in vivo imaging. For this reason a filter created with spectral hole burning is of special interest. This thesis presents the development of an ultra-narrow filter based on spectral hole burning in a thulium doped yttrium aluminum garnet crystal (Tm:YAG) under magnetic field. The first part of the manuscript describes the characterization of the filter in the imaging setup. Next, the actual imaging of a scattering gel is described. The following part presents the change of the main laser and its frequency stabilization for technological maturation. The last part of the manuscript details how the experiment have been compacted to be bring in a pharmacetical laboratory in order to launch in vivo imaging trials

Nous présentons un nouveau type d'imageur plénoptique appelé LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). Le grand avantage de cette technique est qu'elle est auto-alignée, car le laser sert à la fois de source et de détecteur de photons. De plus, grâce à un effet d'amplification intra-cavité produit par la dynamique du laser, et grâce à un marquage acoustique des photons réinjectés, ce dispositif possède une sensibilité ultime au photon unique. Cette sensibilité est nécessaire si l'on veut réaliser des images à travers des milieux diffusants. L'autre intérêt présenté par le caractère plénoptique de notre imageur, est qu'il permet d'obtenir simultanément une double information: la position et la direction de propagation des rayons lumineux. Cette propriété offre des possibilités inhabituelles, comme celle de conserver la résolution d'un objectif de microscope bien au-delà de sa distance de travail, ou encore de pouvoir corriger par un post-traitement numérique les aberrations causées par la traversée d'un milieu hétérogène. Le dispositif LOFI plénoptique semble donc idéal pour une imagerie en profondeur à travers des milieux complexes, tels que les milieux biologiques. Les performances très intéressantes de cette imageur sont cependant obtenues au prix d'un filtrage spatial très coûteux en photons et au prix d'une acquisition des images réalisées point par point, donc relativement lente.

En combinant des techniques de microscopie et de spectroscopie, il est possible de réaliser des images résolues spectralement. Ces images apportent des réponses à de nombreux problèmes en chimie, biologie, et médecine. La diffusion Raman cohérente (CRS) s'est révélée capable de surpasser la diffusion Raman spontanée dans l'analyse chimique d'échantillons, en offrant une meilleure résolution spatiale et un temps d'acquisition plus faible. La vitesse d'acquisition de l'information spectrale demeure toutefois un facteur limitant en imagerie CRS, et de nombreuses recherches se concentrent sur le développement de nouvelles méthodes d'acquisition. Le présent travail s'inscrit dans cette démarche. En combinant la diffusion Raman stimulée (une branche de la CRS), la focalisation spectrale d'impulsions optiques, ainsi qu'une ligne à délai acousto-optique, nous réalisons les premières mesures à de telles vitesses d'acquisition. Le cadre théorique, technologique, ainsi que l’ingénierie nécessaire pour parvenir à ce résultat sont détaillés. Cette technique d'acquisition rapide est illustrée par le suivi de réaction chimique, le contrôle qualité pharmaceutique, en biologie, et en histologie<br>Combining microscopy and spectroscopy, one can achieve spectrally resolved imaging, and provide a solution to various chemical, biological, or medical challenges. Coherent Raman scattering (CRS) has proven extremely valuable in providing chemical information, with a higher resolution and shorter acquisition time than spontaneous Raman scattering. The acquisition rate of the spectral information from a sample remains the limiting factor of CRS imaging, and several experimental schemes are being investigated to push the technology toward higher imaging frame rates. This work develops one such scheme. Combining stimulated Raman scattering (a CRS technique), spectral focusing with chirped pulses, and a fast acousto-optic delay line, we achieved unprecedented spectral acquisition rates. The theoretical, technological, and engineering frameworks enabling such acquisition are described in details. The application to pharmaceutical quality control, time resolved chemical transformations, biology, and histology are demonstrated

Imager à travers un milieu diffusant épais est difficile en utilisant des techniques d'imagerie optique conventionnelles. L'imagerie acousto-optique est une technique d'imagerie multimodale basée sur l'interaction entre une onde lumineuse et une onde acoustique. Cette dernière module la phase du champ lumineux. Il est alors possible d'accéder à un contraste optique local à la résolution millimétrique des ultrasons. Plusieurs méthodes sont utilisées pour détecter les " photons marqués " par les ultrasons. Elles peuvent être de nature cohérente ou incohérente et tentent de répondre aux différentes problématiques qu'impose l'imagerie en régime de diffusion multiple. Dans cette thèse nous avons exploré trois techniques de détection à 800 nm, dans la fenêtre thérapeutique optique (région du spectre où l'absorption est minimale dans les tissus biologiques). Le phénomène de \textit{holeburning} spectral dans un cristal dopé ion terre rare nous a permis de réaliser un filtre spectral hyperfin centré sur la fréquence des photons marqués à basse température. Une détection sensible des photons marqués a ensuite été réalisée par holographie numérique hétérodyne hors-axe couplée à un laser longues impulsions. Des profils acousto-optiques ont été obtenus à travers plusieurs centimètres d'épaisseur. L'adaptation de front d'onde par holographie phototoréfractive dans un cristal de SPS :Te (Hypothiodiphosphate d'étain dopé tellure) nous a enfin permis de faire une imagerie en temps réel. Des images en deux et trois dimensions ont été réalisées à travers plusieurs centaines d'épaisseurs optiques. Le processus de conjugaison de phase par mélange à quatre ondes a aussi été exploré en perspective.

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<br>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

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.

Mise en oeuvre de circuits intégrés dédiés à l’analyse des corrélations temporelles des tavelures optiquesOn pourrait chercher à exploiter, à des fins de diagnostic médical, la forte pénétration au sein des tissus biologiques de la lumière située dans l’infrarouge proche. Cependant la nature diffusante des tissus brouille fortement l’information spatiale, et il faut mesurer plusieurs paramètres pour obtenir des informations pertinentes, avec par exemple des mesures résolues en temps, ou des mesures de corrélations de speckle. Ces dernières sont délicates de par le faible flux lumineux dans un grain de speckle et les temps de corrélations très courts observés avec les tissus. L’équipe d’optique en milieu aléatoire du Laboratoire de Physique des Lasers a développé, en collaboration avec l’Institut d’Electronique Fondamentale, un concept de circuit multipixels dédié à la détection et à l’analyse du speckle. Ce circuit traite individuellement différents grains de speckle en parallèle, et calcule en temps réel une grandeur moyenne sur l’ensemble des pixels, améliorant ainsi le rapport signal à bruit. Chaque pixel de détection est capable d’effectuer une détection synchrone du signal, et de calculer différentes corrélations temporelles. L’objectif de cette thèse était de caractériser une nouvelle génération de circuits, et de les mettre en oeuvre dans différentes expériences d’optique diffuse. Nous avons pu, au cours de ces travaux, mesurer les corrélations temporelles du speckle en fonction du temps de transit à travers 4cm de lait, et ce malgré la décorrélation très rapide observée dans ce cas. Nous avons également réalisé des expériences d’imagerie acousto-optique, en collaboration avec l’Institut Langevin, en développant un nouveau protocole de mesure adapté à notre technologie<br>Implementation of Application Specific Integrated Circuits dedicated to the analysis of speckle patterns temporal correlationsThe fact that near infrared light has a good penetration depth inside biological tissues calls to its exploitation for medical diagnosis purposes. However, given their scattering nature, tissues strongly blur the spatial information. One therefore needs to measure several parameters in order to obtain pertinent information. One can for instance use time-resolved detection, or measure speckle correlations. The latter implies serious technological bottlenecks due to the weakness of the light flux in one speckle grain, and due to the very short correlation times observed in tissues. The biomedical optics group of Laboratoire de Physique de Lasers, in collaboration with Institut d'Electronique Fondamentale, has developed a concept of multipixels ASIC dedicated to speckle detection and analysis. This device processes different speckle grains in parallel, and computes an averaged value across all the pixels in real time in order to improve the signal to noise ratio. Each detection pixel can perform a lock-in detection of the signal, and compute different time correlations. The objective of this thesis is to characterize a new generation of circuits, and to implement them in different experiments on diffuse light propagation. One highlight of this work is the fact that we could compute speckle time correlation as a function of the transit time through 4 cm of milk, despite the very fast decorrelation obtained with such a medium. In addition, we performed acousto-optic imaging experiments with our partners from Institut Langevin, developing for that purpose a new protocol appropriate to our technology