Malignant or benign tumors may be ablated with high‐intensity focused ultrasound (HIFU). This technique, known as focused ultrasound surgery (FUS), has been actively investigated for decades, but slow to be implemented and difficult to control due to lack of real‐time feedback during ablation. Two methods of imaging and monitoring HIFU lesions during formation were implemented simultaneously, in order to investigate the efficacy of each and to increase confidence in the detection of the lesion. The first, Acousto‐Optic Imaging (AOI) detects the increasing optical absorption and scattering in the lesion. The intensity of a diffuse optical field in illuminated tissue is mapped at the spatial resolution of an ultrasound focal spot, using the acousto‐optic effect. The second, Harmonic Motion Imaging (HMI), detects the changing stiffness in the lesion. The HIFU beam is modulated to force oscillatory motion in the tissue, and the amplitude of this motion, measured by ultrasound pulse‐echo techniques, is influenced by the stiffness. Experiments were performed on store‐bought chicken breast and freshly slaughtered bovine liver. The AOI results correlated with the onset and relative size of forming lesions much better than prior knowledge of the HIFU power and duration. For HMI, a significant artifact was discovered due to acoustic nonlinearity. The artifact was mitigated by adjusting the phase of the HIFU and imaging pulses. A more detailed model of the HMI process than previously published was made using finite element analysis. The model showed that the amplitude of harmonic motion was primarily affected by increases in acoustic attenuation and stiffness as the lesion formed and the interaction of these effects was complex and often counteracted each other. Further biological variability in tissue properties meant that changes in motion were masked by sample‐to‐sample variation. The HMI experiments predicted lesion formation in only about a quarter of the lesions made. In simultaneous AOI/HMI experiments it appeared that AOI was a more robust method for lesion detection. / Bernard M. Gordon Center for Subsurface and Imaging Systems (CenSSIS) via the NSF ERC award number EEC‐9986821.

Acousto-optic (AO) sensing and imaging (AOI) is a dual-wave modality that combines ultrasound with diffusive light to measure and/or image the optical properties of optically diffusive media, including biological tissues such as breast and brain. The light passing through a focused ultrasound beam undergoes a phase modulation at the ultrasound frequency that is detected using an adaptive interferometer scheme employing a GaAs photorefractive crystal (PRC). The PRC-based AO system operating at 1064 nm is described, along with the underlying theory, validating experiments, characterization, and optimization of this sensing and imaging apparatus. The spatial resolution of AO sensing, which is determined by spatial dimensions of the ultrasound beam or pulse, can be sub-millimeter for megahertz-frequency sound waves.A modified approach for quantifying the optical properties of diffuse media with AO sensing employs the ratio of AO signals generated at two different ultrasound focal pressures. The resulting “pressure contrast signal” (PCS), once calibrated for a particular set of pressure pulses, yields a direct measure of the spatially averaged optical transport attenuation coefficient within the interaction volume between light and sound. This is a significant improvement over current AO sensing methods since it produces a quantitative measure of the optical properties of optically diffuse media without a priori knowledge of the background illumination. It can also be used to generate images based on spatial variations in both optical scattering and absorption. Finally, the AO sensing system is modified to monitor the irreversible optical changes associated with the tissue heating from high intensity focused ultrasound (HIFU) therapy, providing a powerful method for noninvasively sensing the onset and growth of thermal lesions in soft tissues. A single HIFU transducer is used to simultaneously generate tissue damage and pump the AO interaction. Experimental results performed in excised chicken breast demonstrate that AO sensing can identify the onset and growth of lesion formation in real time and, when used as feedback to guide exposure parameters, results in more predictable lesion formation. / Bernard M. Gordon Center for Subsurface and Imaging Systems (CenSSIS) via the NSF ERC award number EEC-9986821.

Mise en oeuvre de circuits intégrés dédiés à l’analyse des corrélations temporelles des tavelures optiquesOn pourrait chercher à exploiter, à des fins de diagnostic médical, la forte pénétration au sein des tissus biologiques de la lumière située dans l’infrarouge proche. Cependant la nature diffusante des tissus brouille fortement l’information spatiale, et il faut mesurer plusieurs paramètres pour obtenir des informations pertinentes, avec par exemple des mesures résolues en temps, ou des mesures de corrélations de speckle. Ces dernières sont délicates de par le faible flux lumineux dans un grain de speckle et les temps de corrélations très courts observés avec les tissus. L’équipe d’optique en milieu aléatoire du Laboratoire de Physique des Lasers a développé, en collaboration avec l’Institut d’Electronique Fondamentale, un concept de circuit multipixels dédié à la détection et à l’analyse du speckle. Ce circuit traite individuellement différents grains de speckle en parallèle, et calcule en temps réel une grandeur moyenne sur l’ensemble des pixels, améliorant ainsi le rapport signal à bruit. Chaque pixel de détection est capable d’effectuer une détection synchrone du signal, et de calculer différentes corrélations temporelles. L’objectif de cette thèse était de caractériser une nouvelle génération de circuits, et de les mettre en oeuvre dans différentes expériences d’optique diffuse. Nous avons pu, au cours de ces travaux, mesurer les corrélations temporelles du speckle en fonction du temps de transit à travers 4cm de lait, et ce malgré la décorrélation très rapide observée dans ce cas. Nous avons également réalisé des expériences d’imagerie acousto-optique, en collaboration avec l’Institut Langevin, en développant un nouveau protocole de mesure adapté à notre technologie. / Implementation of Application Specific Integrated Circuits dedicated to the analysis of speckle patterns temporal correlationsThe fact that near infrared light has a good penetration depth inside biological tissues calls to its exploitation for medical diagnosis purposes. However, given their scattering nature, tissues strongly blur the spatial information. One therefore needs to measure several parameters in order to obtain pertinent information. One can for instance use time-resolved detection, or measure speckle correlations. The latter implies serious technological bottlenecks due to the weakness of the light flux in one speckle grain, and due to the very short correlation times observed in tissues. The biomedical optics group of Laboratoire de Physique de Lasers, in collaboration with Institut d'Electronique Fondamentale, has developed a concept of multipixels ASIC dedicated to speckle detection and analysis. This device processes different speckle grains in parallel, and computes an averaged value across all the pixels in real time in order to improve the signal to noise ratio. Each detection pixel can perform a lock-in detection of the signal, and compute different time correlations. The objective of this thesis is to characterize a new generation of circuits, and to implement them in different experiments on diffuse light propagation. One highlight of this work is the fact that we could compute speckle time correlation as a function of the transit time through 4 cm of milk, despite the very fast decorrelation obtained with such a medium. In addition, we performed acousto-optic imaging experiments with our partners from Institut Langevin, developing for that purpose a new protocol appropriate to our technology.

Nous présentons un nouveau type d'imageur plénoptique appelé LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). Le grand avantage de cette technique est qu'elle est auto-alignée, car le laser sert à la fois de source et de détecteur de photons. De plus, grâce à un effet d'amplification intra-cavité produit par la dynamique du laser, et grâce à un marquage acoustique des photons réinjectés, ce dispositif possède une sensibilité ultime au photon unique. Cette sensibilité est nécessaire si l'on veut réaliser des images à travers des milieux diffusants. L'autre intérêt présenté par le caractère plénoptique de notre imageur, est qu'il permet d'obtenir simultanément une double information: la position et la direction de propagation des rayons lumineux. Cette propriété offre des possibilités inhabituelles, comme celle de conserver la résolution d'un objectif de microscope bien au-delà de sa distance de travail, ou encore de pouvoir corriger par un post-traitement numérique les aberrations causées par la traversée d'un milieu hétérogène. Le dispositif LOFI plénoptique semble donc idéal pour une imagerie en profondeur à travers des milieux complexes, tels que les milieux biologiques. Les performances très intéressantes de cette imageur sont cependant obtenues au prix d'un filtrage spatial très coûteux en photons et au prix d'une acquisition des images réalisées point par point, donc relativement lente. / We present LOFI (Laser Optical Feedback Imaging). The main advantage of this technique is that it is auto-aligned, as the laser plays both the role of an emitter and a receiver of photons. Furthermore, thanks to an intra-cavity amplification effect caused by the laser dynamics and an acoustic tagging of re-injected photons, this setup reaches a shot noise sensitivity (single photon sensitive). This sensitivity is necessary if our aim is to make images through scattering media. The other interest, which comes from the plenoptic property of our setup, is that one have access to a complete information about light rays (position and direction of propagation). This property implies unusual possibilities like keeping a constant resolution beyond microscope objectives working distance or being able to numerically compensate, after acquisition, aberrations caused by the propagation through heterogeneous media. Our setup is thus ideal for deep imaging through complex media (turbid and heterogeneous) like biological ones. These interesting properties are achieved at the price of a spatial filtering degrading photon collection efficiency and of a point by point image acquisition which is slow.

L'imagerie optique des tissus biologiques est un défi du fait de la diffusion de la lumière. Pour sonder les propriétés optiques à quelques cm de profondeur, on peut coupler l'information optique des ultrasons. De cette idée sont nées les imageries acousto-optique et photoacoustique. La première repose sur la modulation de la lumière par des ultrasons balistiques. La seconde se base sur la génération d'ultrasons lors de l'absorption de lumière par un objet. Que ce soit pour l'une ou pour l'autre, l'enregistrement du signal nécessite la mesure de très faibles modulations de phase dans une figure de speckle. L'holographie dynamique est une bonne solution. En effet, les techniques interférométriques sont suffisamment sensibles pour mesurer de telles modulations et l'holographie permet de corriger la nature speckle de la lumière. Dans cette thèse nous démontrons la faisabilité de fabriquer un système d'holographie adaptative basé sur un milieu laser (Nd :YVO4). Un des grands avantages de ce type de milieu est le temps de réponse. On montrera que le rafraîchissement d'un hologramme dans notre cristal peut se faire en moins de 100 ?s, bien inférieur au temps de décorrélation du speckle (? 1ms) qui pourrait grandement perturber les techniques de détection plus lentes lors d'expériences in vivo. Trois montages sont présentés ici, le premier pour la détection acousto-optique par conjugaison de phase, le deuxième pour la détection acousto-optique par adaptation de front d'onde et enfin le troisième pour détection photoacoustique. Dans les trois cas on mesure un temps de réponse entre 15 ?s et 50 ?s, et on utilise le montage imager un échantillon. / Strong scattering properties of biological media make their optical imaging in depth a challenge. A solution to probe the local optical properties is to couple the optical information with ultrasound. Two imaging techniques were born from this idea, acousto-optic imaging and photoacoustic imaging. The first technique is based on the local modulation of light by ballistic ultrasound. The latter relies on the emission of ultrasound following the absorption of light by an object. Whether it is acousto-optic imaging or photoacoustic imaging, the recording of the the signal requires a detection system sensitive to weak phase modulation. In addition, the detection system must be compatible with a speckle pattern. Dynamic holography is a good solution. Indeed, as it is based on interferometry, it is very sensitive to small phase variations and holography can be used to correct the speckle nature of light. In this manuscript, we show the use of an holographic detection system based on a laser medium (Nd:YVO4). One of the main advantage of this type of material is the very fast response time. It will be highlighted that the recording of a hologram inside our crystal can be done in less than 100 μs, much faster than the speckle decorrelation time (≈ 1ms), which is one of the major obstacle towards in vivo imaging. Three optical setups will be presented in this manuscript. The first one is a phase conjugation setup for acousto-optic detection. The second one is a wavefront adaption setup, also for acousto-optic detection. Finally, the third setup is an adaptive vibrometry setup for photoacoustic detection. In each setups the measured response time is between 15 μs and 50 μs.

Les tissus biologiques sont des milieux fortement diffusant pour la lumière. En conséquence, les techniques d'imagerie actuelles ne permettent pas d'obtenir un contraste optique en profondeur à moins d'user d'approches invasives. L'imagerie acousto-optique (AO) est une approche couplant lumière et ultrasons (US) qui utilise les US afin de localiser l'information optique en profondeur avec une résolution millimétrique. Couplée à un échographe commercial, cette technique pourrait apporter une information complémentaire permettant d'augmenter la spécificité des US. Grâce à une détection basée sur l'holographie photoréfractive, une plateforme multi-modale AO/US a pu être développée. Dans ce manuscrit, les premiers tests de faisabilité ex vivo sont détaillés en tant que premier jalon de l'imagerie clinique. Des métastases de mélanomes dans le foie ont par exemple été détectées alors que le contraste acoustique n'était pas significatif. En revanche, ces premiers résultats ont souligné deux obstacles majeurs à la mise en place d'applications cliniques.Le premier concerne la cadence d'imagerie de l'imagerie AO très limitée à cause des séquences US prenant jusqu'à plusieurs dizaines de secondes. Le second concerne le speckle qui se décorrèle en milieu vivant sur des temps inférieurs à 1 ms, trop rapide pour les cristaux photorefractif actuellement en palce. Dans ce manuscrit, je propose une nouvelle séquence US permettant d'augmenter la cadence d'imagerie d'un ordre de grandeur au moins ainsi qu'une détection alternative basée sur le creusement de trous spectraux dans des cristaux dopés avec des terres rares qui permet de s'affranchir de la décorrélation du speckle. / Biological tissues are very strong light-scattering media. As a consequence, current medical imaging devices do not allow deep optical imaging unless invasive techniques are used. Acousto-optic (AO) imaging is a light-ultrasound coupling technique that takes advantage of the ballistic propagation of ultrasound in biological tissues to access optical contrast with a millimeter resolution. Coupled to commercial ultrasound (US) scanners, it could add useful information to increase US specificity. Thanks to photorefractive crystals, a bimodal AO/US imaging setup based on wave-front adaptive holography was developed and recently showed promising ex vivo results. In this thesis, the very first ones of them are described such as melanoma metastases in liver samples that were detected through AO imaging despite acoustical contrast was not significant. These results highlighted two major difficulties regarding in vivo imaging that have to be addressed before any clinical applications can be thought of.The first one concerns current AO sequences that take several tens of seconds to form an image, far too slow for clinical imaging. The second issue concerns in vivo speckle decorrelation that occurs over less than 1 ms, too fast for photorefractive crystals. In this thesis, I present a new US sequence that allows increasing the framerate of at least one order of magnitude and an alternative light detection scheme based on spectral holeburning in rare-earth doped crystals that allows overcoming speckle decorrelation as first steps toward in vivo imaging.