Soutenance de thèse : Nouvelles approches pour l'imagerie photoacoustique quantitative: apport de l'imagerie ultrasonore des vaisseaux sanguins et de l'apprentissage profond - Ivana Falco (OPTIMA)

L’obtention d’images à contraste optique en profondeur suscite un grand intérêt au sein de la communauté biomédicale. Une approche prometteuse qui offre ces avantages et qui représente l’objet principal de ce manuscrit, est l’imagerie Photoacoustique (PA). Notamment, cette approche a le potentiel de permettre une imagerie en temps réel avec une résolution spatiale et une profondeur de pénétration importantes, en ciblant des absorbeurs optiques endogènes, exogènes, ou encodés génétiquement. Parmi ceux-ci, sa sensibilité à l’hémoglobine permet d’imager les vaisseaux sanguins, offrant une information omniprésente dans les systèmes biologiques. De plus, l’acquisition de données PA spectroscopiques rend possible la quantification de chromophores, ce qui est précieux pour une large gamme d’applications, y compris la mesure de l’oxygénation sanguine.

Pour les raisons ci-dessus, cette thèse vise à explorer et faire progresser l’imagerie PA en abordant sa double nature – optique et acoustique – chacune présentant différents défis. A cette fin, nous proposons des approches innovantes, dans lesquelles l’imagerie PA est assistée par des modalités auxiliaires, telles que des techniques basées sur l’apprentissage et sur d’autres formes d’imagerie.

Du coté acoustique, le principal défi réside dans la reconstruction d’images, qui conduit souvent à des artefacts de visibilité qui peuvent cacher des détails structurels et empêcher une analyse complète. Pour la première fois, en utilisant des sondes sphériques parcimonieuses, des images expérimentales sans artefacts, connues sous le nom d’images photoacoustique de fluctuation (PAFI), sont utilisées comme vérité de terrain, ou ground truths, pour entrainer un réseau de neurones convolutif. Cette approche permet la correction en temps réel d’images PA à tir unique, et son efficacité est démontrée sur un ensemble de données acquises dans un modèle vasculaire d’embryon de poulet d’abord, puis sur des expériences préliminaires in vivo sur des souris.

L’autre axe majeur de cette thèse est l’étude des défis optiques qui concernent l’imagerie PA quantitative. Une estimation précise de la fluence du laser est cruciale pour une analyse quantitative, qui est intrinsèquement liée aux propriétés optiques des tissus. Dans les études présentées dans le manuscrit, l’imagerie power Doppler ultrasonore (UPD) est couplée à l’imagerie PAFI, en exploitant le fait qu’elles sont toutes les deux sensibles aux vaisseaux sanguins et partagent le même système d’acquisition. Plus précisément, nous proposons de combiner l’information sanguine apportée par PAFI et UPD pour déterminer de manière unique et expérimentale la distribution de fluence dans les vaisseaux sanguins en 3D. Cette approche est validée par des simulations numériques et par des expériences sur des phantoms de flux immergés dans des milieux diffusants.

Au-delà de la mesure directe de la fluence, cette étude valide que l’UPD contient des informations sur le volume fractionnel de sang effectif à la résolution d’imagerie, ce qui pose les bases pour une seconde investigation numérique. Dans cette dernière, l’UPD est utilisée comme information a priori dans un problème inverse PA d’optique diffuse pour surmonter le problème de non-unicité de la solution, conduisant finalement à une détermination des propriétés optiques des tissus.