Ces travaux de thèse sont motivés par le développement de techniques d’imagerie alternatives pour le diagnostic précoce du cancer du sein. Parmi celles-ci, l’imagerie photoacoustique couple potentiellement les avantages de deux modalités d’imagerie non-invasives, à savoir la quantification de contrastes physiologiques du fait de l’excitation optique et la haute résolution du fait d’un sondage acoustique.Le but de ces travaux est de proposer une modélisation multiondes du phénomène photoacoustique, et d’incorporer ce modèle dans un algorithme de reconstruction efficace pour résoudre le problème inverse. Celui-ci se rapporte à la reconstruction de cartes de propriétés physiques (optique et/ou acoustiques) de l’intérieur du sein. La Méthode des Eléments Finis (MEF) a été retenue pour résoudre l’équation de propagation optique. Pour la résolution de l’équation de propagation acoustique, une méthode semi-analytique, basée sur des calculs par transformées de Fourier (méthod k-space), a été choisie. Pour la résolution du problème inverse, deux approches ont été étudiées : i) un sondage passif, permettant de remonter à la distribution de pression initiale, à l’aide de la méthode de retournement temporel ; ii) un sondage actif, où l’on interroge le milieu sélectivement sous différentes excitations, permettant de remonter quantitativement aux propriétés optiques du milieu. On appelle cette dernière approche Tomographie PhotoAcoustique Quantitative (TPAQ). Une étude spécifique sur le protocole d’illumination/détection a été conduite, prenant également en compte les contraintes expérimentales. / The present work was motivated by the development of alternative imaging techniques for breast cancer early diagnosis, that is photoacoustic imaging, which potentially couples the merits of optical imaging and ultrasound imaging, that is high optical functional contrasts brought by optical probing and high spatial resolution by ultrasound detection. Our work aims at modeling the photoacoustic multiwave phenomenon and incorporate it in an efficient reconstruction algorithm to solve the inverse problem. The inverse problem consists in the recovery of interior maps of physical properties of the breast. The forward model couples optical and acoustic propagations. The Finite Element Method (FEM) was chosen for solving the optical propagation equation, while a semi-analytical method based on Fourier transforms calculations (k-space method) was preferred for solving the acoustic propagation equation. For the inverse model, time reversal method was adopted to reconstruct the initial pressure distribution, an active approach of the inverse problem was also achieved, which decoupled the optical properties from measured photoacoustic pressure, this approach is called quantitative photoacoustic tomography (QPAT), in this approach, illumination/detection protocol was studied, and the experimental set up is also take into consideration. In the last step, photoacoustic pressure measurements obtained from experiment and simulation are studied and compared.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie photoacoustique en tant que modalité d'imagerie prometteuse pour la médecine. Il a consisté en l'expérimentation du guidage photoacoustique de la thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU), et en l'étude de la génération par des agents de contraste spécifiques que sont les nanoparticules d'or. Dans un premier temps lors d'expériences in vitro, une sonde conçue à la fois pour l'imagerie photoacoustique et la thérapie ultrasonore a été utilisée pour démontrer la faisabilité du guidage photoacoustique pour traiter par HIFU une zone tissulaire cible. L'usage de la photoacoustique pour le contrôle des HIFU révèle ainsi son caractère prometteur. Dans un second temps la modélisation physique de la génération photoacoustique par des nanoparticules d'or permet de quantifier les mécanismes non-linéaires thermoélastiques impactant le signal émis. Dans le cas d'une nanosphère d'or unique, nous décrivons en fonction des paramètres du problème l'importance de la contribution de ces phénomènes non-linéaires, qui sont causés par la dépendance en température de la dilatation thermique de l'eau. Nous en tirons un ensemble de prédictions quantitatives quant à l'influence et le poids de ces non-linéarités sur le signal photoacoustique. Puis nous généralisons ces résultats théoriques à une collection de nanosphères d'or, et les confrontons à nos résultats expérimentaux. Nous mettons ainsi en évidence une nouvelle forme prometteuse de contraste en imagerie photoacoustique: le contraste de non-linéarité thermoélastique. / This work falls within the field of photoacoustic imaging as a promising modality for biomedical applications. It consists in experimenting photoacoustic guidance of high intensity focused ultrasound (HIFU) for therapy, and in studying photoacoustic generation by gold nanoparticles as contrast agents. First of all, a probe designed for both photoacoustic imaging and ultrasound therapy was employed for \textit{in vitro} experiments. We demonstrate the feasability of photoacoustic guidance to treat a target embedded in biological tissue, as a promising tool for HIFU control. In a second part we model the physical mechanisms of photoacoustic generation by gold nanoparticles. This allows to quantify thermoelastic nonlinearities impacting the emitted signal, which origins derive from the temperature dependence of the thermal expansion coefficient of water. In the case of a single gold nanosphere, we describe the nonlinear contribution to the signal according to the different parameters of the problem. We infer a set of quantitative predictions concerning the weight of nonlinearities on photoacoustic signals. Then we generalize these theoretical results to a collection of gold nanospheres, and confront them to our experimental results. Thermoelastic nonlinearity thereby offers a promising new type of contrast for photoacoustic imaging.

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.

L'imagerie photoacoustique est une modalité d'imagerie fonctionnelle basée sur la génération d'ondes acoustiques par des tissus soumis à une illumination optique (impulsion laser). L'utilisation de différentes longueurs d'ondes optiques permet la discrimination des milieux imagés. Cette modalité est prometteuse pour de nombreuses applications médicales liées, par exemple, à la croissance, au vieillissement et à l'évolution de la vascularisation des tissus. En effet, l'accès à l'oxygénation du sang dans les tissus est rendu possible par l'imagerie photoacoustique. Cela permet, entre autres applications, la discrimination de tumeurs bénignes ou malignes et la datation de la mort tissulaire (nécrose). Ce travail de thèse a pour objectif principal la construction d'une chaîne de traitement des données photoacoustiques multispectrales pour le calcul de l'oxygénation du sang dans les tissus. Les principales étapes sont, d'une part, la discrimination des données (clustering), pour extraire les zones d'intérêt, et d'autre part, la quantification des différents constituants présents dans celles-ci (unmixing). Plusieurs méthodes non supervisées de discrimination et de quantification ont été développées et leurs performances comparées sur des données photoacoustiques multispectrales expérimentales. Celles-ci ont été acquises sur la plateforme photoacoustique du laboratoire, lors de collaborations avec d'autres laboratoires et également sur un système commercial. Pour la validation des méthodes développées, de nombreux fantômes contenant différents absorbeurs optiques ont été conçus. Lors du séjour de cotutelle de thèse en Italie, des modes d'imagerie spécifiques pour l'imagerie photoacoustique 2D et 3D temps-réel ont été développés sur un échographe de recherche. Enfin, des acquisitions in vivo sur modèle animal (souris) au moyen d'un système commercial ont été réalisées pour valider ces développements. / Photoacoustic imaging is a functional technique based on the creation of acoustic waves from tissues excited by an optical source (laser pulses). The illumination of a region of interest, with a range of optical wavelengths, allows the discrimination of the imaged media. This modality is promising for various medical applications in which growth, aging and evolution of tissue vascularization have to be studied. Thereby, photoacoustic imaging provides access to blood oxygenation in biological tissues and also allows the discrimination of benign or malignant tumors and the dating of tissue death (necrosis). The present thesis aims at developing a multispectral photoacoustic image processing chain for the calculation of blood oxygenation in biological tissues. The main steps are, first, the data discrimination (clustering), to extract the regions of interest, and second, the quantification of the different media in these regions (unmixing). Several unsupervised clustering and unmixing methods have been developed and their performance compared on experimental multispectral photoacoustic data. They were acquired on the experimental photoacoustic platform of the laboratory, during collaborations with other laboratories and also on a commercial system. For the validation of the developed methods, many phantoms containing different optical absorbers have been produced. During the co-supervision stay in Italy, specific imaging modes for 2D and 3D real-time photoacoustic imaging were developed on a research scanner. Finally, in vivo acquisitions using a commercial system were conducted on animal model (mouse) to validate these developments.

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.

L'imagerie photoacoustique (IPA) des tissus biologiques permet de combiner les avantages des imageries optique et ultrasonore. Le principal contraste endogène pour l’IPA provient des vaisseaux sanguins en raison de la forte absorption de l'hémoglobine par rapport aux tissus environnants. De plus, les vaisseaux sanguins sont à peu près cylindriques et la concentration d'hémoglobine peut être supposée uniforme à l'intérieur des veines. Comme première contribution, nous avons développé dans cette thèse un modèle analytique de fluence optique pour plusieurs inhomogénéités cylindriques parallèles incorporées dans un milieu turbide. Les modèles analytiques n’existent que pour les cas simples. Pour traiter des situations plus complexes, comme les tissus biologiques, les méthodes numériques sont nécessaires. La deuxième contribution de cette thèse consiste à développer un solveur multigrilles de l'équation de diffusion optique et donc de proposer une méthode numérique efficace pour résoudre la fluence optique. Enfin, notre troisième contribution concerne la reconstruction de la tomographie quantitative photoacoustique (TQPA). Basée sur les modèles efficaces présentées dans les première et seconde contributions, nous avons proposé une méthode de reconstruction basée sur le modèle direct analytique pour les cas simples et une méthode d'inversion basée sur multigrille pour les cas plus réalistes. Les avantages de la méthode d'inversion basée sur multigrille sont présentés à la fois en terme de temps de calcul et de vitesse de convergence. Une validation expérimentale est présentée dans le dernier chapitre de cette thèse, prouvant la validité et l'analyse des performances des méthodes développées. / Photoacoustic imaging (PAI) of biological tissues tries to combine the advantages of optical and acoustical imaging. The main endogenous contrast for PAI is derived from blood vessels due to the strong absorption of hemoglobin compared to the background tissues. Furthermore, blood vessels are roughly cylindrical and hemoglobin concentration can be assumed to be uniform inside the vessel. Therefore, the blood vessels can be considered as “cylindrical inhomogeneities”. As a first contribution, we have developed in this thesis an analytical model of optical fluence for multiple parallel cylindrical inhomogeneities embedded in an otherwise homogeneous turbid medium. Analytical models only exist for simple cases. To deal with more complex situations like biological tissues, numerical methods are required. The second contribution of this thesis is to develop a multigrid solver of optical diffusion equation and therefore to propose an efficient numerical method to resolve the optical fluence. Finally, our third contribution is concerned with quantitative PA tomography (QPAT) reconstruction. Based on the efficient models presented in the first and second contributions, we have proposed an analytic-based reconstruction method for simple cases and a multigrid-based inversion scheme for more realistic cases. The advantages of multigrid-based inversion scheme are shown in both computation and convergence speed. An experimental validation is presented in the last chapter of this thesis, proving the validity and analyzing the performances of the developed methods.

Ce document présente les grandes lignes des travaux de recherche que j'ai menés dans divers laboratoires depuis ma thèse.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie photoacoustique en tant que modalité d'imagerie prometteuse pour la médecine. Il a consisté en l'expérimentation du guidage photoacoustique de la thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU), et en l'étude de la génération par des agents de contraste spécifiques que sont les nanoparticules d'or. Dans un premier temps lors d'expériences \textit{in vitro}, une sonde conçue à la fois pour l'imagerie photoacoustique et la thérapie ultrasonore a été utilisée pour démontrer la faisabilité du guidage photoacoustique pour traiter par HIFU une zone tissulaire cible. L'usage de la photoacoustique pour le contrôle des HIFU révèle ainsi son caractère prometteur. Dans un second temps la modélisation physique de la génération photoacoustique par des nanoparticules d'or permet de quantifier les mécanismes non-linéaires thermoélastiques impactant le signal émis. Dans le cas d'une nanosphère d'or unique, nous décrivons en fonction des paramètres du problème l'importance de la contribution de ces phénomènes non-linéaires, qui sont causés par la dépendance en température de la dilatation thermique de l'eau. Nous en tirons un ensemble de prédictions quantitatives quant à l'influence et le poids de ces non-linéarités sur le signal photoacoustique. Puis nous généralisons ces résultats théoriques à une collection de nanosphères d'or, et les confrontons à nos résultats expérimentaux. Nous mettons ainsi en évidence une nouvelle forme prometteuse de contraste en imagerie photoacoustique: le contraste de non-linéarité thermoélastique.