Conception et caractérisation d'un système d'imagerie photoacoustique pour application biomédicale

Le domaine de l'imagerie médicale est dans une quête incessante d'une modalité qui permettrait de visualiser l'anatomie interne du corps humain et qui serait en même temps sensible à des marqueurs ciblant des processus métaboliques spécifiques. L'imagerie photoacoustique tente de répondre à cette demande en profitant des avantages respectifs de l'imagerie optique, soit un excellent contraste et de l'imagerie ultrasonore par une résolution spatiale supérieure. Elle peut apporter à la fois une information fonctionnelle en étant réceptive à des agents de contrastes exogènes et une information structurelle grâce au recalage avec des images ultrasonores. C'est dans cette optique qu'un système d'imagerie photoacoustique pour le petit animal a été développé. Ce projet de maîtrise s'est proposé de participer à la conception, la caractérisation et l'optimisation d'un tel montage. Les bases physiques des phénomènes derrière la création de signal ont été explorées afin d'en faire ressortir les équations régissant la reconstruction d'images. Un système d'imagerie photoacoustique préexistant utilisant un transducteur mono-élément focalisé a d'abord été amélioré. Un second montage utilisant un système d'acquisition de données VeraSonics et des transducteurs médicaux a été élaboré. Des simulations numériques modélisant les deux systèmes ont été implémentées et testées. Ces simulations ont témoigné de la justesse des équations dérivées mathématiquement. Des acquisitions ont été effectuées sur des fantômes représentatifs de tissus biologiques. Les algorithmes de reconstruction ont été utilisés pour imager des cheveux humains à une profondeur de plus d'un centimètre dans un milieu quasi opaque et ainsi valider expérimentalement le système d'imagerie. Le problème de récupération de mesures quantitatives à partir de mesures expérimentales a été exposé. Une méthode de résolution a été proposée et des résultats ont été obtenus. Des mesures in vivo sur des souris ont démontré la possibilité de visualiser des structures à des profondeurs de plus de 2 cm.

Abstract

The biomedical imaging domain is still looking for an imaging modality which will be able to visualize the human body's anatomy as well as specific metabolic markers. Photoacoustic imaging attempts to respond to this demand by capitalizing on the advantages of both optical and ultrasound imaging, which are good spatial resolution and excellent contrast. Photoacoustic brings functional information through its sensitivity to exogenous contrast agents and structural information through coregistration with ultrasound images. Consequently, a photoacoustic imaging system was developed herein. This master's project has proposed itself to contribute to the conception, characterization and optimization of such a system. The physical bases of the signal creation phenomenon were explored in detail to retrieve the equations which govern the image reconstructions. A preexisting photoacoustic imaging system consisting of a focalized single element transducer was improved. A second version using a VeraSonics data acquisition system architecture and medical ultrasound probes was elaborated. Numerical simulations modeling both systems were implemented and tested. These simulations testified the accuracy of the pre-derived mathematical equations. These reconstruction algorithms were utilized to visualize human hairs imbedded in an almost opaque biological phantom at more than one centimeter of depth and thus validating the imaging system.. The problem of the retrieval of quantitative measures from experimental data was exposed. A method to resolve this difficulty was proposed and results were obtained. In vivo measures on mice demonstrated the ability to identify structures at depths of more than 2 cm.