Développement d'un système d'imagerie photoacoustique pour application à l'athérosclérose

La tomographie photoacoustique est une nouvelle modalité d'imagerie préclinique non invasive combinant l'imagerie optique et les ultrasons. Dans le présente forme, elle permet de mesurer la distribution initiale de pression acoustique générée par l'absorption photonique dans les tissus biologiques, et réflète ainsi les propriétés optiques du spécimen examiné. Cette technique s'appuie notamment sur la diffusion optique dans les tissus pour approfondir le champ d'imagerie par rapport aux techniques d'imagerie optique fonctionnant dans les régimes balistique ou quasi-balistique. Par exemple, elle pourrait notamment permettre l'imagerie des structures profondes chez des modèles murins, qui sont fréquemment utilisés en recherche translationnelle. En outre, les principaux absorbants dans les tissus tels que l'oxyhémoglobine, la désoxyhémoglobine et les lipides, ainsi que les agents de contraste exogènes ont un profil d'absorption distinct qui pourrait être mis à profit par les techniques de différenciation multispectrales. L'objectif global de ce projet est d'appliquer la tomographie photoacoustique pour l'imagerie du système vasculaire chez la souris, et plus spécifiquement l'imagerie moléculaire de la plaque d'athérosclérose. L'imagerie moléculaire vise la détection non invasive de sondes ciblées, dans le but d'apporter une information complémentaire aux données anatomiques. Présentement, plusieurs modalités d'imagerie moléculaire peuvent être appliquées à la détection de la plaque d'athérome. Cependant, aucune ne parvient à s'imposer sur tous les critères décisionnels tels que la sensibilité, la résolution spatiale ou temporelle, le niveau d'exposition à des rayonnements ionisants, la profondeur de pénétration ou le coût. L'imagerie photoacoustique est une modalité hybride entre les techniques optiques et l'imagerie ultrasonore, qui profite donc de la sensibilité de l'optique avec la résolution spatiale ultrasonore. L'arche aortique a été choisie comme région d'intérêt ciblée pour ce projet. En effet, il s'agit du lieu de formation précoce de la plaque chez des modèles de souris athérosclérotiques ; elle fournit également des repères anatomiques uniques permettant un repositionnement précis pour des études répétées d'imagerie. À ce jour, très peu d'études ont été consacrées au système cardiovasculaire en photoacoustique. Les résultats de cette thèse constituent donc une contribution originale au domaine. Étant donné que le sang est à l'origine d'un fort contraste photoacoustique endogène, l'observation de ce contraste purement vasculaire est une condition favorable à la faisabilité de l'imagerie moléculaire dans cette région. Aussi, la majeure partie de ce travail est orientée vers l'obtention de ce contraste sanguin in vivo chez la souris..

Abstract

Photoacoustic tomography has emerged as a new preclinical imaging modality combining optical and ultrasound techniques. In the present implementation, photoacoustic imaging is used to recover the initial distribution of pressure generated by optical absorption in biological tissues. Further computation could allow the recovery of optical properties such as the optical absorption map. This technique relies on optical diusion in turbid media in order to get a deeper eld-of-view compared to optical modalities in the ballistic or nearly ballistic regimes. For instance, it could allow imaging of deep structures or organs in murin models, which are commonly found in translational research. Moreover, the main endogenous absorbing components of tissues such as oxy- or deoxyhemoglobin, lipids, or exogenous contrast agents have a specic absorption prole that could feed multispectral unmixing techniques. The main goal of this projet is to apply photoacoustic tomography for vascular imaging in mice. More specically, the technique is to be applied toward molecular imaging of atherosclerotic plaque. Molecular imaging is directed to noninvasive detection of targeted probes, in order to supplement anatomical data with complementary molecular information. Currently, several imaging modalities can be used to detect the atheroma. However, for each application a compromise must be made given that no technique is able to impose itself with respect to all decision criterias such as sensitivity, spatial or temporal resolution, level of exposure to ionizing radiation, depth of penetration or cost. Photoacoustic imaging is an hybrid modality evolving between optical techniques and conventionnal ultrasound imaging, and therefore benets from the high sensitivity of optics as well as ultrasound spatial resolution. For this project, the aortic arch has been dened as the targeted region of interest. Indeed, this area is prone to early plaque formation in atherosclerotic mice models and provides unique landmarks for repositioning in repeated studies. To date, very few studies have investigated the cardiovascular system in photoacoustics. Hence, the results of this thesis are an original contribution to the eld. Photoacoustic measurements are very sensitive to whole blood, and therefore the detection of vascular contrast represents a window of opportunity for molecular imaging. The main accomplishments of this work have been done toward the detection of vascular contrast in vivo in mice. In the rst part of the thesis, we simulated the direct problem in photoacoustics. The purpose of this methodological objective was to estimate the order of magnitude of the depth of penetration of light in turbid or vascular tissues. The simulated pressure signal was rst investigated by varying multiple parameters such as the source dimensions, homogeneity and