Multi-Modality Diffuse Fluorescence Imaging Applied to Preclinical Imaging in Mice

Cette thèse vise à explorer l'information anatomique et fonctionnelle en développant de nouveaux systèmes d'imagerie de fluorescence macroscopiques à base de multi-modalité. L‘ajout de l‘imagerie anatomique à des modalités fonctionnelles telles que la fluorescence permet une meilleure visualisation et la récupération quantitative des images de fluorescence, ce qui en retour permet d'améliorer le suivi et l'évaluation des paramètres biologiques dans les tissus. Sur la base de cette motivation, la fluorescence a été combinée avec l‘imagerie ultrasonore (US) d'abord et ensuite l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Dans les deux cas, les performances du système ont été caractérisées et la reconstruction a été évaluée par des simulations et des expérimentations sur des fantômes. Finalement, ils ont été utilisés pour des expériences d'imagerie moléculaire in vivo dans des modèles de cancer et d‘athérosclérose chez la souris. Les résultats ont été présentés dans trois articles, qui sont inclus dans cette thèse et décrits brièvement ci-dessous. Un premier article présente un système d'imagerie bimodalité combinant fluorescence à onde continue avec l‘imagerie à trois dimensions (3D) US. A l‘aide de stages X-Y motorisés, le système d'imagerie a été en mesure de recueillir l‘émission fluorescente et les échos acoustiques délimitant la surface 3D et la position des inclusions fluorescentes dans l'échantillon. Une validation sur fantômes, a montré que l'utilisation des priors anatomiques provenant des US améliorait la qualité de la reconstruction fluorescente. En outre, un étude pilote in-vivo en utilisant une souris Apo-E a évalué la faisabilité de cette approche d'imagerie double modalité pour de futures études pré-cliniques. Dans un deuxième effort, et sur la base du premier travail, nous avons amélioré le système d'imagerie par fluorescence-US au niveau des algorithmes, de la précision

Abstract

This thesis aims to explore the anatomical and functional information by developing new macroscopic multi-modality fluorescence imaging schemes. Adding anatomical imaging to functional modalities such as fluorescence enables better visualization and recovery of fluorescence images, in turn, improving the monitoring and assessment of biological parameters in tissue. Based on this motivation, fluorescence was combined with ultrasound (US) imaging first and then magnetic resonance imaging (MRI). In both cases, the systems characterization and reconstruction performance were evaluated by simulations and phantom experiments. Eventually, they were applied to in vivo molecular imaging in models of cancer and atherosclerosis in mice. Results were presented in three peer-reviewed journals, which are included in this thesis and shortly described below. A first article presented a dual-modality imaging system combining continuous-wave transmission fluorescence imaging with three dimensional (3D) US imaging. Using motorized X-Y stages, the fluorescence-US imaging system was able to collect boundary fluorescent emission, and acoustic pulse-echoes delineating the 3D surface and position of fluorescent inclusions within the sample. A validation in phantoms showed that using the US anatomical priors, the fluorescent reconstruction quality was significantly improved. Furthermore, a pilot in-vivo study using an Apo-E mouse evaluated the feasibility of this dual-modality imaging approach for future animal studies. In a second endeavor, and based on the first work, we improved the fluorescence-US imaging system in terms of sampling precision and reconstruction algorithms. Specifically, now combining US imaging and profilometry, both the fluorescent target and 3D surface of sample could be obtained in order to achieve improved fluorescence reconstruction. Furthermore, a