A range of microgels with two different functionalities were synthesized, and their utility in novel bioapplications was examined. Cationic microgels with varying properties were developed by tuning synthesis conditions. Their size and primary amine content was analyzed, and one microgel system was selected as a model construct. Its primary amine groups were conjugated to two dyes with properties favorable for utilization as contrast agents in photoacoustic imaging. The concentration of contrast agent in single particles was determined. The implications of a high local dye concentration in the generation of high intensity photoacoustic signals, are discussed. The second bioapplication involved the targeted delivery of fibrinolytics to fibrin clots, in order to bring about dissolution of abnormal thrombi. For this purpose, core/shell microgels with carboxylic acid groups in their shells were synthesized in three size ranges. Following this, their dimension based differential localization in and around porous fibrin clots was examined. Fibrin-specific peptides were then conjugated onto the shells of these particles and the conjugates were shown to demonstrate strong interactions with the fibrin clots. The microgels conjugated to the peptide with the highest binding affinity to fibrin, were observed to bring about disruption of fibrin clots, merely through interference in the dynamic interactions among clot fibers, due to the equilibrium nature of the fibrin polymer. The implications of these novel results and future studies required to facilitate a better understanding of the phenomena involved, are discussed.

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.

Dans le contexte d’une population vieillissante il est primordial de développer des outils de diagnostic cliniques précis, fiables, peu coûteux et faciles à mettre en place. Durant cette thèse j’ai en particulier cherché à réaliser une cartographie dynamique des vaisseaux sanguins dans le but de permettre de détecter à la fois des cancers et des maladies cardiovasculaires, deux des maladies les plus mortelles. Pour avoir un diagnostic efficace on se doit d’imager en profondeur avec une résolution spatiale et temporelle la meilleure possible. Dans le chapitre 0 j’explique les enjeux de l’imagerie médicale sur la micro-vascularisation en analysant les avantages et inconvénients de plusieurs types d’imageries médicales. Dans le chapitre 1 je développe en détail l’imagerie photo-acoustique, qui s’est avérée être la plus appropriée à notre application. Elle a l’avantage d’avoir un contraste optique et une résolution acoustique. J’utilise en particulier la photo-acoustique fréquentielle qui est peu onéreuse et peu encombrante, donc facilement intégrable dans le monde hospitalier par rapport à une imagerie photo-acoustique « classique ». Je valide cette partie sur des résultats expérimentaux in-vivo sur des oreilles de souris. Dans le chapitre 2 j’ai cherché à détecter le signal photo-acoustique de façon optique qui a pour avantage d’être sans contact donc sans souci d’encombrement entre « excitation optique » et « détection acoustique ». Je développe le traitement du signal nécessaire pour détecter une onde acoustique, i.e. des vibrations, à l’aide d’un interféromètre. Puis je présente dans le chapitre 3 un interféromètre particulier développé au laboratoire : le Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). Il permet de s’affranchir du bruit du détecteur donc il permet de détecter des vibrations de petites amplitudes même sur des surfaces peu réfléchissantes comme la peau et cela même à faible puissance par respect des normes médicales. Dans le chapitre 4 je valide la détection du signal photo-acoustique avec notre détection optique. Enfin dans le chapitre 5 je montre à travers des simulations une technique d’imagerie innovante plein champ qui permettrait de détecter plus rapidement un signal photo-acoustique riche spectralement. / In the context of an aging population, it is essential to develop clinical diagnostic tools that are accurate, reliable, inexpensive and easy to implement. During this thesis I particularly sought to perform a dynamic mapping of blood vessels in order to detect both cancers and cardiovascular diseases, two of the most deadly diseases. In order to have an effective diagnosis, it is necessary to image in depth with the best possible spatial and temporal resolution. In chapter 0 I explain the challenges of medical imaging on micro-vascularization by analyzing the advantages and disadvantages of several types of medical imaging. In chapter 1 I develop in detail the photo-acoustic imaging, which proved to be the most appropriate for our application. It has the advantage of optical contrast and acoustic resolution. In particular, I use frequency photo-acoustics, which is inexpensive and space-saving, and can therefore be easily integrated in the hospital world compared to "traditional" photo-acoustic imaging. I validate this part on in-vivo experimental results on mouse ears. In chapter 2 I tried to detect the photo-acoustic signal in an optical way which has the advantage of being contactless and therefore without any problem of clutter between "optical excitation" and "acoustic detection". I develop the signal processing necessary to detect an acoustic wave, i.e. vibrations, using an interferometer. Then I present in chapter 3 a particular interferometer developed in the laboratory: the Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). This interferometer allows to be limited to photon noise even with a low intensity thus it makes it possible to detect vibrations of small amplitudes even on surfaces with a low reflecting index like the skin in accordance with medical standards. In chapter 4 I validate the detection of the photo-acoustic signal with our optical detection. Finally in chapter 5 I show with simulations an innovative full field imaging technique that would allow faster detection of a spectrally rich photo-acoustic signal.

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.

La distinction entre les fœtus constitutionnellement petits de ceux qui présentent une réelle restriction de croissance liée à une insuffisance placentaire n’est pas aisée avec les mesures échographiques utilisées en pratique courante. Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est responsable d’une part importante de la prématurité induite, et d’une augmentation du risque de mortalité et de morbidité néonatales. C’est pourquoi, l’amélioration de la connaissance de la vascularisation placentaire est indispensable pour mieux identifier et prendre en charge les situations d’hypoxie chroniques foetales associées à l’insuffisance placentaire.Pour quantifier la vascularisation les modalités d’imagerie de perfusion disponibles sont l’échographie et l’IRM. Les études évaluant la quantification de la perfusion placentaire par échographie de contraste sont peu nombreuses. Les avantages et les limites de cet examen ont été évalués sur un modèle murin de RCIU par ligature vasculaire. Ainsi, l’échographie de contraste permettait de quantifier une baisse de la perfusion placentaire sur un modèle de RCIU sans que l’on puisse observer de passage d’agents de contraste ultrasonores au travers la barrière placentaire. Les résultats obtenus ont été comparés aux données obtenues par l’IRM de perfusion. Les paramètres quantitatifs obtenus à partir des courbes de cinétiques du contraste pour chacune des deux modalités d’imagerie étaient comparables sur un modèle identique de RCIU murin. Enfin, une méthode d’étude de l’oxygénation placentaire par imagerie photoacoustique a été évaluée. Cette modalité d’imagerie non invasive permettait d’obtenir en temps réel l’oxygénation placentaire, avec cependant une profondeur limitée d’exploration. Le placenta semblait se comporter comme une réserve en oxygène au cours de l’étude d’une séquence hypoxie – hyperoxygénation maternelle avec une désaturation moins importante que celle observée dans les autres tissus maternels. / To identify fetuses small for their gestational-age who have reached their appropriate growth potential from growth-restricted fetuses due to placental insufficiency is uneasy. Intra Uterine Growth Restriction (IUGR) increases the risk for indicated preterm delivery, neonatal mortality and morbidity. Therefore, improving the knowledge of the placental perfusion is essential to better identify and manage fetal chronic oxygen deprivation associated with placental insufficiency.Contrast Enhanced Ultrasound (CEUS) and MRI are two imaging modalities available to quantify placental perfusion. However, few studies focus on the quantification of placental perfusion with CEUS. First, the advantages and limitations of CEUS were presented in an IUGR rat model by uterine ligation. The placental perfusion observed by CEUS was significantly decreased in the ligated horn. No contrast enhancement was observed in the umbilical vein or the fetus. Then, we compared the CEUS parameters to results obtained by MRI perfusion. Perfusion parameters were obtained from the signal intensity decay curve for the two imaging modalities. Results of such perfusion parameters were comparable in the same IUGR rat model. Finally, we evaluated the response of the placenta to oxygenation by photoacoustic imaging. PA imaging is a real-time, non-invasive method to evaluate placental oxygenation without contrast agents. Our results suggesting that placenta is less affected than maternal tissue by the decline in maternal oxygenation. The placenta may play an important role in protecting the feus against hypoxia.

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.

The focus of the thesis is on the development of a few stochastic search schemes for inverse problems and their applications in medical imaging. After the introduction in Chapter 1 that motivates and puts in perspective the work done in later chapters, the main body of the thesis may be viewed as composed of two parts: while the first part concerns the development of stochastic search algorithms for inverse problems (Chapters 2 and 3), the second part elucidates on the applicability of search schemes to inverse problems of interest in tomographic imaging (Chapters 4 and 5). The chapter-wise contributions of the thesis are summarized below. Chapter 2 proposes a Monte Carlo stochastic filtering algorithm for the recursive estimation of diffusive processes in linear/nonlinear dynamical systems that modulate the instantaneous rates of Poisson measurements. The same scheme is applicable when the set of partial and noisy measurements are of a diffusive nature. A key aspect of our development here is the filter-update scheme, derived from an ensemble approximation of the time-discretized nonlinear Kushner Stratonovich equation, that is modified to account for Poisson-type measurements. Specifically, the additive update through a gain-like correction term, empirically approximated from the innovation integral in the filtering equation, eliminates the problem of particle collapse encountered in many conventional particle filters that adopt weight-based updates. Through a few numerical demonstrations, the versatility of the proposed filter is brought forth, first with application to filtering problems with diffusive or Poisson-type measurements and then to an automatic control problem wherein the exterminations of the associated cost functional is achieved simply by an appropriate redefinition of the innovation process. The aim of one of the numerical examples in Chapter 2 is to minimize the structural response of a duffing oscillator under external forcing. We pose this problem of active control within a filtering framework wherein the goal is to estimate the control force that minimizes an appropriately chosen performance index. We employ the proposed filtering algorithm to estimate the control force and the oscillator displacements and velocities that are minimized as a result of the application of the control force. While Fig. 1 shows the time histories of the uncontrolled and controlled displacements and velocities of the oscillator, a plot of the estimated control force against the external force applied is given in Fig. 2. (a) (b) Fig. 1. A plot of the time histories of the uncontrolled and controlled (a) displacements and (b) velocities. Fig. 2. A plot of the time histories of the external force and the estimated control force Stochastic filtering, despite its numerous applications, amounts only to a directed search and is best suited for inverse problems and optimization problems with unimodal solutions. In view of general optimization problems involving multimodal objective functions with a priori unknown optima, filtering, similar to a regularized Gauss-Newton (GN) method, may only serve as a local (or quasi-local) search. In Chapter 3, therefore, we propose a stochastic search (SS) scheme that whilst maintaining the basic structure of a filtered martingale problem, also incorporates randomization techniques such as scrambling and blending, which are meant to aid in avoiding the so-called local traps. The key contribution of this chapter is the introduction of yet another technique, termed as the state space splitting (3S) which is a paradigm based on the principle of divide-and-conquer. The 3S technique, incorporated within the optimization scheme, offers a better assimilation of measurements and is found to outperform filtering in the context of quantitative photoacoustic tomography (PAT) to recover the optical absorption field from sparsely available PAT data using a bare minimum ensemble. Other than that, the proposed scheme is numerically shown to be better than or at least as good as CMA-ES (covariance matrix adaptation evolution strategies), one of the best performing optimization schemes in minimizing a set of benchmark functions. Table 1 gives the comparative performance of the proposed scheme and CMA-ES in minimizing a set of 40-dimensional functions (F1-F20), all of which have their global minimum at 0, using an ensemble size of 20. Here, 10 5 is the tolerance limit to be attained for the objective function value and MAX is the maximum number of iterations permissible to the optimization scheme to arrive at the global minimum. Table 1. Performance of the SS scheme and Chapter 4 gathers numerical and experimental evidence to support our conjecture in the previous chapters that even a quasi-local search (afforded, for instance, by the filtered martingale problem) is generally superior to a regularized GN method in solving inverse problems. Specifically, in this chapter, we solve the inverse problems of ultrasound modulated optical tomography (UMOT) and diffraction tomography (DT). In UMOT, we perform a spatially resolved recovery of the mean-squared displacements, p r of the scattering centres in a diffusive object by measuring the modulation depth in the decaying autocorrelation of the incident coherent light. This modulation is induced by the input ultrasound focussed to a specific region referred to as the region of interest (ROI) in the object. Since the ultrasound-induced displacements are a measure of the material stiffness, in principle, UMOT can be applied for the early diagnosis of cancer in soft tissues. In DT, on the other hand, we recover the real refractive index distribution, n r of an optical fiber from experimentally acquired transmitted intensity of light traversing through it. In both cases, the filtering step encoded within the optimization scheme recovers superior reconstruction images vis-à-vis the GN method in terms of quantitative accuracies. Fig. 3 gives a comparative cross-sectional plot through the centre of the reference and reconstructed p r images in UMOT when the ROI is at the centre of the object. Here, the anomaly is presented as an increase in the displacements and is at the centre of the ROI. Fig. 4 shows the comparative cross-sectional plot of the reference and reconstructed refractive index distributions, n r of the optical fiber in DT. Fig. 3. Cross-sectional plot through the center of the reference and reconstructed p r images. Fig. 4. Cross-sectional plot through the center of the reference and reconstructed n r distributions. In Chapter 5, the SS scheme is applied to our main application, viz. photoacoustic tomography (PAT) for the recovery of the absorbed energy map, the optical absorption coefficient and the chromophore concentrations in soft tissues. Nevertheless, the main contribution of this chapter is to provide a single-step method for the recovery of the optical absorption field from both simulated and experimental time-domain PAT data. A single-step direct recovery is shown to yield better reconstruction than the generally adopted two-step method for quantitative PAT. Such a quantitative reconstruction maybe converted to a functional image through a linear map. Alternatively, one could also perform a one-step recovery of the chromophore concentrations from the boundary pressure, as shown using simulated data in this chapter. Being a Monte Carlo scheme, the SS scheme is highly parallelizable and the availability of such a machine-ready inversion scheme should finally enable PAT to emerge as a clinical tool in medical diagnostics. Given below in Fig. 5 is a comparison of the optical absorption map of the Shepp-Logan phantom with the reconstruction obtained as a result of a direct (1-step) recovery. Fig. 5. The (a) exact and (b) reconstructed optical absorption maps of the Shepp-Logan phantom. The x- and y-axes are in m and the colormap is in mm-1. Chapter 6 concludes the work with a brief summary of the results obtained and suggestions for future exploration of some of the schemes and applications described in this thesis.