Sujet de thèse Détection d`objets millimétriques en milieux

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Sujet de thèse
Détection d’objets millimétriques en milieux diffusants épais par couplage lumière-ultrasons : mise en
place d’une plateforme d’imagerie multimodale optique et acoustique pour l’étude de milieux
biologiques.
Encadrant François Ramaz MdC ESPCI (HdR)
Institut Langevin - Ondes et Images – ESPCI – CNRS UMR7587 1 rue Jussieu, 75238 Paris cedex 05
Tel : [phone] - Mail : francois.ram[email protected]
Coordonnées de l’équipe d’accueil doctoral
François Ramaz – Jean-Luc Gennisson – Mickaël Tanter
Institut Langevin - Ondes et Images - CNRS UMR7587
Equipe Inserm U979 "Physique des ondes pour la médecine et la biologie"
1 rue Jussieu, 75238 Paris cedex 05
http://www.institut-langevin.espci.fr/
Mots clés
Détection d’objets en milieu diffusant - Optique adaptative - Imagerie multi-spectrale - Imagerie
multimodale – Imagerie du vivant.
Cette demande d'allocation s'inscrit dans une démarche d’appels à projets multiples en cours.
- Programme ASTRID 2013 : Imagerie acousto-optique par holeburning spectral (projet SHBI).
- ANR blanche : Imagerie fonctionnelle cérébrale du petit animal (projet Brainflow).
- Fondation Pierre-Gilles de Gennes : Détection de tumeurs dans le foie et ganglion sentinelle.
Description du sujet
L’imagerie optique à travers des milieux fortement diffusants (biologiques ou non) est très délicate
lorsque la résolution souhaitée approche le millimètre, et il n’existe pas à l’heure actuelle de méthode
locale, fiable, et rapide pour des échantillons d’épaisseur importante. Cela fait suite au processus de
diffusion qui noie l’information et donne un très faible niveau de signal pour des échantillons de
plusieurs cm d’épaisseur. Pourtant, la lumière apporte une dimension supplémentaire par rapport aux
techniques existantes (échographie, IRM, X), notamment par son caractère spectral qui peut
discriminer l’espèce que l’on détecte. On peut citer par exemple l’hémoglobine et l’hémoglobine
oxygénée, dont les spectres d’absorption sont assez différents, et le rapport des concentrations peut
témoigner d’une activité sanguine suspecte, par exemple au niveau d’une tumeur, ou suite à une
réaction anormale comme une crise d’épilepsie. La signature d’objets suspects dans un environnement
diffus est par ailleurs une problématique importante plus vaste, que l’on souhaiterait résoudre par
contrôle non destructif. De plus, il est pertinent d’avoir plusieurs informations indépendantes,
acoustique et optique, par exemple, afin d’éviter les faux-positifs, mais surtout d’obtenir des
informations indépendantes et complémentaires.
Nous développons depuis quelques années une méthode qui couple lumière et ultrasons (imagerie
acousto-optique) afin d’obtenir dans des milieux diffusants épais (5cm et plus) une information
optique localisée par les ultrasons avec une précision millimétrique et moins, selon la fréquence
ultrasonore utilisée. Compte-tenu de la très faible quantité de lumière qui ressort de ces milieux, et qui
de plus possède un caractère « speckle », nous avons mis au point différentes méthodes de détection
holographiques qui améliorent notablement le rapport signal à bruit, qui serait autrement limité à un
grain de speckle, dit zone de cohérence, donc pratiquement indétectable.
Ces méthodes holographiques sont soit digitales avec caméras (Benoit20012), soit analogiques à
l’aide de cristaux photosensibles. Elles permettent de traiter en parallèle 10
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à 10
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grains de speckle, ce
qui constitue une étendue géométrique plus acceptable pour ce type de signaux. Une étape majeure a
été franchie par nos soins (Ramaz2004, Lesaffre2013) en utilisant des cristaux photoréfractifs d’AsGa
à 1064nm, qui ont permis de valider le concept d’imagerie acousto-optique par adaptation de front
d’onde en temps réel à travers de tels milieux.

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Nous avons progressé depuis en introduisant de
nouveaux cristaux bien plus efficaces (Sn
2
P
2
S
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) et
surtout sensibles dans la gamme 650-1000nm, très
appropriée pour les milieux biologiques
(Farahi2010,2012). Mon étudiante, Mlle Emilie
Benoit (soutenance de thèse à l’Institut Langevin
prévue en octobre prochain) a posé quelques jalons
pour une imagerie multi-modale acousto-optique et
échographique avec l’utilisation d’un échographe
commercial (SuperSonic Imagine corp.) comme
seule source ultrasonore, qui ouvre des perspectives
intéressantes.
Fig.1: Imagerie acousto-optique par holographie adaptative de
front d’onde. La source acoustique peut être un échographe
commercial.
La figure ci-dessous illustre ce point, car elle montre une image 2D @780nm de différents absorbeurs
optiques dans un gel diffusant de 3cm, constitués du même gel avec des ultrasons à 8MHz. On
constate un faible écho ultrasonore, qui révèle les contours (en principe pas d’écho US), alors que
l’image optique donne un contraste beaucoup plus riche dans ce cas.
Ce résultat, certes attendu, nous laisse envisager un
certain nombre d’études pour développer une
instrumentation multimodale, mais aussi la tester sur
des cas réels que nous souhaitons être les plus
pertinents possibles.
Fig.2 : Image multi-modale d’inclusions dans un milieu diffusant
obtenue avec un échographe commercial.
En premier lieu, la lumière peut donner des informations de concentration d’une espèce grâce à une
signature spectrale, qui peut avoir un caractère dynamique. Par la mesure acousto-optique à plusieurs
longueurs d’onde dans la zone 760-880nm, nous pourrons mesurer des ratios de concentration
d’éléments calibrés statiques (dans un premier temps des colorants organiques), mais également sous
écoulement en insérant dans les gels diffusants des capillaires pouvant simuler une circulation, ceci
afin de l’appliquer in fine par exemple à la mesure du taux d’oxygénation local du sang chez le petit
animal (soumission ANR Brainflow). Nous pensons également appliquer notre méthode à l’étude de
tumeurs hépathiques, ou encore détecter la présence de ganglions sentinelles, étude que nous
envisageons en partenariat avec l’Institut Curie. Le système de mesures envisagé initialement est un
montage d’holographie adaptative avec un cristal photoréfractif Sn
2
P
2
S
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, utilisé avec deux lasers
accordables amplifiés que nous avons reçus récemment. Les mesures, dans un premier temps validées
avec un mono-élément ultrasonore, seront effectuées avec un échographe afin d’obtenir également le
signal de contraste acoustique.
Fig.3 : Spectre d’absorption du sang (Hb,HbO
2
) dans le visible proche
infrarouge. On remarquera le pic à 760nm pour Hb .
Il faut noter que nous sommes actuellement le seul laboratoire
au monde capable d’effectuer ce type de mesures dans la
fenêtre thérapeutique grâce à nos cristaux de SPS, les équipes
concurrentes ne disposant que de cristaux photosensibles dans
le vert (BSO) ou le proche IR (GaAs), zones spectrales qui ne
permettent pas d’atteindre des profondeurs d’exploration
importantes à cause d’une trop forte absorption.

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Un certain nombre d’options sur les développements instrumentaux sont envisagées au cours de ce
travail. Leur priorité sera fixée en fonction des financements (cf. demandes en cours), mais in fine les
objectifs de ce travail seront maintenus.
Pour être plus précis la méthode de détection optique pourra s’envisager soit sur le mode existant,
c’est-à-dire avec l’approche par holographie adaptative de front d’onde avec cristal photoréfractif, ou
bien avec une approche tout à fait nouvelle, basée sur un filtre spectral ultrafin, reposant sur le
phénomène de spectral holeburning présent dans des cristaux dopés avec des terres rares (Tm
3+
:YAG ;
Nd
3+
:YAG,YSO). Ceci va dans le sens du programme de travail ASTRID que nous avons formulé.
Cette méthode constituerait une rupture technologique par rapport à l’existant, car l’information (qui
pourra être multi-spectrale) sera alors détecté par un flux lumineux, au lieu d’un signal d’interférence.
En termes d’étendue, les
caractéristiques sont intéressantes
puisque l’on peut également
collecter de l’ordre de 10
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grains de
speckle. Les avantages sont
notables, car la mesure n’est de fait
plus sensible aux mouvements des
milieux, et donc à la décorrélation
du signal. Cette méthode peut aussi
se coupler à un échographe pour
obtenir des contrastes acoustiques.
Fig.4 : Principe du spectral holeburning dans YAG:Tm
3+
@793nm pour l’imagerie acousto-optique. On crée une fenêtre de
transparence pour les photons marqués par les ultrasons.
Le développement instrumental comprendra alors les grandes lignes suivantes :
- Configuration acousto-optique multi-spectrale
grâce à nos sources lasers accordables.
- Réalisation d’une sonde unique
optique/acoustique avec bundle de fibres.
- Excitation ultrasonore avec ondes planes pour
imagerie ultrarapide.
- Maîtrise d’ultrasons haute puissance (HiFu)
pour créer et suivre un échauffement dans le
milieu, dans l’idée par exemple de créer un
effet « paint ball » qui permettrait de libérer
une substance localisée dans le milieu et d’en
contrôler sa diffusion.
Fig.5 : Schéma de principe d’une sonde acousto-optique dédiée à l’activité du cerveau (soumisions ANR –blanche 2013 –
Brainflow)
Ramaz2004
“Photorefractive detection of tagged photons in ultrasound modulated optical tomography of thick bilogical tissues”,
F. Ramaz, B.C. Forget, M. Gross, M. Atlan, P. Delaye, G. Roosen, A.C. Boccara, Opt. Exp., Vol. 12, N°22, pp. 5469-5474
(2004).
Lesaffre2013
“Experimental study of z resolution in acousto-optical coherence tomography using random phase jumps on ultrasound and
light”, M. Lesaffre, S. Farahi,F. Ramaz, and M. Gross, Appl. Opt., Vol.52, No. 5, pp. 949-957 (2013).
Farahi2010
“Photorefractive acousto-optic imaging in thick scattering media at 790nm with a Sn2P2S6:Te crystal”,
S. Farahi, G. Montemezzani, A. A. Grabar, J.P. Huignard, and F. Ramaz, Opt. Lett., Vol. 35, No. 11, June 1 (2010).
Farahi2012
“Time resolved three-dimensional acousto-optic imaging of thick scattering media”
S. Farahi, E. Benoit, A.A. Grabar, J.P. Huignard, and F.Ramaz, Opt. Lett., Vol. 37, No. 13 / July 1 (2012).

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Benoit2012
“Acousto-optical coherence tomography with a digital holographic detection scheme”
E. Benoit a la Guillaume, S. Farahi, E. Bossy, M. Gross, and F. Ramaz, Opt. Lett., Vol. 37, No. 15 / August 1 (2012).
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