SCANNER POUR TOMOGRAPHIE OPTIQUE DIFFUSE SANS

UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie électrique et de génie informatique
SCANNER POUR TOMOGRAPHIE
OPTIQUE DIFFUSE SANS CONTACT À
CANAUX DE DÉTECTION DANS LE
DOMAINE TEMPOREL À DEUX BANDES
DE LONGUEUR D'ONDE POUR
IMAGERIE INTRINSÈQUE ET PAR
FLUORESCENCE SUR PETIT ANIMAL
Mémoire de maîtrise
Spécialité : génie électrique
Eric Lapointe
Jury : Yves BÉRUBÉ-LAUZIÈRE (directeur)
Réjean FONTAINE (rapporteur)
Roger LECOMTE
Sherbrooke (Québec) Canada janvier 2011

ZH
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ma famille et mes amis

RÉSUMÉ
Ce mémoire décrit le développement opto-mécanique et électro-mécanique de la 2ième ver-
sion du scanner TomOptUS pour tomographic optique diffuse (TOD). Ce scanner est
destiné à l'imagerie moléculaire 3D de l'intérieur d'un petit animal. Les buts de la TOD
sont : 1) d'obtenir la distribution spatiale des coefficients d'absorption (/ia) et de diffusion
(fia) dans les tissus biologiques (imagerie intrinsèque) et 2) de localiser des agents fluores-
cents injectés et suivre leur distribution spatiale (imagerie par fluorescence). La TOD sur
petit animal est d'un grand intérêt en pharmacologie et en oncologie pour l'étiquetage de
médicaments afin de suivre leur progression, pour suivre l'évolution d'une pathologie sous
traitement sur un même individu, ou pour repérer des cellules cancéreuses par marquage
des protéines membranaires qu'elles expriment. La diffusion de la lumière dans les tissus
biologiques est le plus grand obstacle en TOD. Les mesures en régime continu ne per-
mettent pas de distinguer les photons détectés selon le degré de diffusion qu'ils subissent.
La diffusion mène à une perte d'information quant à la trajectoire suivie par les photons.
La détection résolue en temps permet de garder une partie de cette information. Le scanner
TomOptUS utilise un système ultra-rapide de comptage de photons corrélé en temps et
des tubes photomultiplicateurs pour mesurer la distribution temporelle de puises lumineux
transmis et/ou rétrodiffusés dans le sujet à imager suite à l'illumination à l'aide d'impul-
sions laser ultra-brèves. La 2lème version du scanner est un système multicanal à géométrie
annulaire sur 360° autour du sujet. Il est muni de 7 canaux de détection optique permet-
tant l'acquisition simultanée de données tomographiques dans deux bandes de longueurs
d'onde (intrinsèque et fluorescence). L'acquisition des données est automatisée par ordina-
teur. Ce scanner a l'avantage d'effectuer des mesures sans contact avec le sujet. Ceci facilite
l'acquisition des données et permettra éventuellement de le combiner à d'autres modalités
d'imagerie médicale sans contact (tomographic d'émission par positrons, tomodentométrie
ou imagerie par résonance magnétique) pour réaliser des séances d'imagerie multimodals.
Le scanner est aussi équipé d'un système de vision numérique stéréo à 2 caméras per-
mettant de mesurer la surface externe du sujet en 3D. Les mesures tomographiques et
de surface se font simultanément en utilisant le faisceau laser incident sur le sujet. On
présente des résultats de localisation d'un nombre a priori inconnu d'inclusions fluores-
centes ponctuelles dans une mire (ou fantôme) absorbante et diffusante. L'algorithme de
localisation repose sur la mesure des temps d'arrivée des premiers photons à différentes
positions angulaires autour du sujet. Ceci requière une résolution temporelle très élevée
dans la détection des photons, une très grande synchronisation des différents canaux de
détection et une grande stabilité dans la détection des signaux optiques. L'architecture
du scanner ainsi qu'une méthode de calibration élaborée dans le cadre des présents tra-
vaux permettent d'atteindre de telles performances. On présente également des résultats
préliminaires de l'effet d'un milieu hétérogène sur le temps de vol des photons.
Mots-clés : Scanner, tomographie optique diffuse, système multicanal, mesures optiques
sans contact, imagerie médicale, fluorescence, tube photomultiplicateur, proche in-
frarouge, mesures optiques dans le domaine temporel, comptage de photons corrélé
en temps