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Development of a photoacoustic imaging system, Phantom validation and application to atherosclerosis

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Imagerie médicale Imagerie optique Imagerie photoacoustique Thèses et écrits académiques Athérosclérose CMUT - Capacitive micromachined ultrasonic transducers Echographie

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Développement d'un système d'imagerie photoacoustique, Validation sur fantômes et application à l'athérosclérose

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Développement d'un système d'imagerie photoacoustique, Validation sur fantômes et application à l'athérosclérose

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L’imagerie photoacoustique est une nouvelle modalité couplant imagerie optique et échographie. Non invasive, elle permet d’imager des absorbeurs optiques à quelques centimètres de profondeur et avec la résolution de l’échographie. La réception des signaux photoacoustiques se faisant à l’aide d’un échographe clinique, cette modalité hybride vient compléter idéalement l’imagerie ultrasonore en apportant des informations fonctionnelles aux informations structurelles de l’échographie. Ces atouts en font une technique d’imagerie très prometteuse pour la clinique, notamment comme outil de diagnostic précoce. Ce travail de thèse a pour objectif principal la mise en place des outils nécessaires au développement de cette thématique de recherche d’un point de vue expérimental, à des fins cliniques. En particulier, l’apport de l’imagerie photoacoustique pour le diagnostic de plaques d’athérome vulnérables est investigué sur fantômes, grâce à un protocole original. Pour cela un système d’imagerie photoacoustique a été développé et caractérisé à l’aide de fantômes bimodalités élaborés spécifiquement pour les différentes études présentées. Gardant à l’esprit le transfert de cette technique en clinique, un échographe clinique de recherche est utilisé et différentes spécificités du banc nécessaires à l’imagerie in vivo et au diagnostic médical ont été investiguées. Cela implique une amélioration des performances de détection du signal photoacoustique, notamment en termes de sensibilité et de contraste. Pour cela, une nouvelle technologie de sondes ultrasonores est évaluée en la comparant aux sondes actuellement utilisées. De plus, une excitation multispectrale permet l’identification de différents éléments présents dans les tissus. L’aspect temps-réel de l’échographie fait de cette modalité une des plus utilisées pour le diagnostic clinique. Par conséquent, une imagerie photoacoustique voire bimodale en temps réel présente un réel atout pour son transfert clinique. Cette possibilité est investiguée sur le système mis en place au cours de la thèse grâce à un échographe de recherche et une étude sur fantômes. Enfin, une autre contribution de ce travail concerne l’apport de l’imagerie photoacoustique à la caractérisation de la vulnérabilité de la plaque d’athérome. Cette indication de vulnérabilité est obtenue en déterminant la composition de la plaque, en particulier en termes de lipides. L’imagerie photoacoustique, couplée à l’échographie, peut permettre cette identification. Pour étudier cette possibilité, nous nous sommes intéressés à l’artère carotide pour son accessibilité et la place qu’elle occupe dans le diagnostic de la plaque d’athérome en échographie et échographie Doppler. Un protocole original a été élaboré afin d’apporter l’excitation optique au plus près de la carotide. La faisabilité de cette approche est investiguée sur un fantôme conçu spécifiquement pour cette étude et les résultats préliminaires sont présentés. Photoacoustic (PA) imaging is a new imaging modality coupling ultrasound and optical imaging. This non-invasive technique achieves a penetration depth up to several centimeters with optical contrast and ultrasound resolution. Moreover, since PA signals are detected with a US scanner, PA imaging ideally complete US imaging, adding functional information to the structural ones brought by echography. Therefore PA imaging looks very promising, specifically as a clinical early diagnosis tool. The main objective of this thesis is to set up the required tools to develop the experimental investigation for this research topic and, in particular, to apply it to the diagnosis of vulnerable atheroma plaques. A PA imaging system has been set up and characterized using specifically designed bimodal phantoms. Additional studies have been made to evaluate the suitability of this imaging platform for clinical imaging. For example, in vivo imaging requires better signal detection in terms of contrast and sensitivity, achieved thanks to a new probe technology, and the identification of tissue composition using a multispectral optical excitation. Finally, PA and even PAUS real time imaging is a real asset for medical diagnosis that has been investigated. Another contribution of this work is the use of PA imaging to characterized atheroma plaques vulnerability with the detection of lipids inside these plaques. PA imaging, coupled to echography, can address this need. To study this possibility, the carotid artery has been considered and a new protocol has been elaborated to bring the optical excitation very close to this artery. A feasibility study has been realized on a specific phantom and the preliminary results are presented.

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Text

n10:P1001

n11:T1009

rdaw:P10219

2015

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n13:1020