<p>Developmental biology is a field in which explorations are made to answer how an organism transforms from a single cell to a complex system made up of trillions of highly organized and highly specified cells. This field, however, is not just for discovery, it is crucial for unlocking factors that lead to diseases, defects, or malformations. The one key ingredient that contributes to the success of studies in developmental biology is the technology that is available for use. Optical coherence tomography (OCT) is one such technology. OCT fills a niche between the high resolution of confocal microscopy and deep imaging penetration of ultrasound. Developmental studies of the chicken embryo heart are of great interest. Studies in mature hearts, zebrafish animal models, and to a more limited degree chicken embryos, indicate a relationship between blood flow and development. It is believed that at the earliest stages, when the heart is still a tube, the purpose of blood flow is not for convective transport of oxygen, nutrients and waster, bur rather to induce shear-related gene expressions to induce further development. Yet, to this date, the simple question of "what makes blood flow?" has not been answered. This is mainly due limited availability to adequate imaging and blood flow measurement tools. Earlier work has demonstrated the potential of OCT for use in studying chicken embryo heart development, however quantitative measurement techniques still needed to be developed. In this dissertation I present technological developments I have made towards building an OCT system to study chick embryo heart development. I will describe: 1) a swept-source OCT with extended imaging depth; 2) a spectral domain OCT system for non-invasive small animal imaging; 3) Doppler flow imaging and techniques for quantitative blood flow measurement in living chicken embryos; and 4) application of the OCT system that was developed in the Specific Aims 2-5 to test hypotheses generated by a finite element model which treats the embryonic chick heart tube as a modified peristaltic pump.</p> / Dissertation

L'approche développée par l'équipe imXgam du CPPM a consisté à adapter la technologie des pixels hybrides XPAD à l'imagerie biomédicale. C'est dans cette optique qu'un micro-tomodensitomètre PIXSCAN II basé sur la nouvelle génération de détecteurs à pixels hybrides appelés XPAD3 a été développé. Ce travail de thèse décrit la démarche engagée pour évaluer l'apport de la technologie à pixels hybrides en tomodensitométrie par rayons X en termes de contraste et de dose et pour explorer de nouvelles possibilités d'imagerie biomédicale à faible dose. L'évaluation des performances ainsi que la validation des résultats obtenus avec les données acquises avec le détecteur XPAD3 ont été comparées aux résultats obtenus avec la caméra CCD DALSA XR-4 similaire aux détecteurs utilisés dans la plupart des micro-TDM usuels. Le détecteur XPAD3 permet d'obtenir des images reconstruites d'une qualité satisfaisante et proche de celle des images de la caméra DALSA XR-4, mais avec une meilleure résolution spatiale. A faible dose, les images du détecteur XPAD3 sont de meilleure qualité que celles de la caméra CCD. Du point de vue de l'instrumentation, ce projet a prouvé le bon fonctionnement du dispositif PIXSCAN II pour la souris. Nous avons pu reproduire une qualité d'image semblable à celle obtenue avec un détecteur à intégration de charges de type caméra CCD. Pour améliorer les performances du détecteur XPAD3, il va falloir optimiser la stabilité des seuils et avoir des courbes de réponses des pixels en fonction de l'énergie assez homogènes en utilisant un capteur plus dense comme le CdTe par exemple. / The pathway that has been followed by the imXgam team at CPPM was to adapt the hybrid pixel technology XPAD to biomedical imaging. It is in this context that the micro-CT PIXSCAN II based on the new generation of hybrid pixel detectors called XPAD3 has been developed. This thesis describes the process undertaken to assess the contribution of the hybrid pixel technology in X-ray computed tomography in terms of contrast and dose and to explore new opportunities for biomedical imaging at low doses. Performance evaluation as well as the validation of the results obtained with data acquired with the detector XPAD3 were compared to results obtained with the CCD camera DALSA XR-4 similar to detectors used in most conventional micro-CT systems. The detector XPAD3 allows to obtain reconstruced images of satisfactory quality close to that of images from the DALSA XR-4 camera, but with a better spatial resolution. At low doses, the images from the detector XPAD3 have a better quality that is those from CCD camera. From an instrumentation point of view, this project demonstrated the proper erations of the device PIXSCAN II for mouse imaging. We were able to reproduce an image quality similar to that obtained with a charge integration detector such as a CCD camera. To improve the performance of the detector XPAD3, we will have to optimize the stability of the thresholds and in order to obtain more homogeneous response curves of the pixels as a function as energy by using a denser sensor such as CdTe.

L’imagerie préclinique se pratique majoritairement sur des modèles animaux murins principalement des souris (61%), elle représente une étape indispensable en recherche préclinique car elle suit les deux premières recommandations de la règle des 3R (réduction, raffinement et remplacement). Pour donner une signification biologique aux mesures extraites des images acquises in vivo chez la souris, il est nécessaire d’évaluer les performances des instruments utilisés mais également des procédures expérimentales en jeu. La qualification des appareils nécessite l’usage de fantômes spécifiques, et l’évaluation des méthodes impose de tester les procédures sur des individus non pathologiques, avant le passage aux expérimentations proprement dites. L’objectif de ce travail a été de développer des outils et des méthodes permettant de qualifier les instruments d’imagerie et certaines procédures in vivo. La nécessité de quantification, à partir d’images réalisées chez le petit animal, nous amène à considérer les instruments d’imagerie préclinique comme des outils métrologiques ; ce qui amène à intégrer le principe d’incertitude de mesure dans l’expression des résultats. / Preclinical imaging is mostly performed on mouse animal models (61%). It is a necessary step in preclinical research, in compliance the first two recommendations of the 3Rs rules (reduction, refinement and replacement). In order to give a biological significance to measurements extracted from in vivo-acquired mouse images, it is necessary to evaluate instruments performances but also experimental procedures involved. The qualification of apparatuses requires the use of specific phantoms while the evaluation of methods requires procedures tests on non-pathological animals before experimentations. The scope of this work was to develop tools and methods to qualify imaging instruments and in vivo procedures. The need for quantification in small animal imaging, leads us to consider preclinical imaging instruments as metrological tools; which means integrating measurement uncertainty into.

L’imagerie du petit animal est incontournable pour le développement des recherches dans les secteurs de labiologie, de la médecine et de l’industrie pharmaceutique. Parmi les différentes modalités d’imagerie développéeschez l’humain et adaptées à l’animal, l’imagerie tomographique à rayons X est devenue une référencepour l’analyse des caractères anatomiques et phénotypiques chez la souris. Elle permet de réaliser des étudeslongitudinales in vivo et des analyses haute résolution ex vivo de façon non invasives et en 3D. L’analyse deces images 3D nécessite des outils spécifiques à chaque problématique.Dans ce contexte, notre travail de thèse a permis d’apporter des contributions sur les thématiques suivantes :1. le développement d’outils d’analyse, à la fois quantitatifs et qualitatifs, pour l’imagerie des tissusminéralisés et adipeux2. l’application des méthodologies développées à des problématiques de recherche biomédicale3. l’étude comparative et "multi-échelle" de différentes technologies de tomographie X pour l’imagerie dupetit animal4. la mise au point d’une méthode originale par résonnance paramagnétique électronique pour la dosimétried’un acte d’imagerie X chez le petit animalEn conclusion, les outils d’imagerie 3D que nous avons développés représentent un nouvel apport pour la dissectionvirtuelle de l’animal de laboratoire, permettant l’exploration de nombreux tissus et organes et rivalisantavec les méthodes d’histologie et de microscopie électronique.L’application de ces méthodes d’imagerie pour la recherche fondamentale et pré-clinique ouvre la perspectived’une alternative nouvelle dans l’expérimentation animale. / Small animal imaging is highly necessary for the development of biomedical research and pharmaceuticalapplications. Amongst various available imaging methods, X-Ray tomography is now considered as a goldstandard for anatomical and phenotypical analysis in mice. CT imaging allows non invasive longitudinal studiesin vivo and high resolution analysis ex vivo. The 3D image analysis requires the development of specific toolsdepending on the biomedical problematics.In this context, we have investigated the following research areas :1. Development of 3D image tools for qualitative and quantitative image analysis of mineralized andadipose tissues in murin models2. Application of our tools to biomedical investigations3. Comparative and multi-scale analysis of various tomography technologies for small animal imaging4. Development of an original method using Electronic Paramagnetic Resonance (EPR) for X-ray dosimetryin miceIn conclusion, our 3D imaging methods are potentially of high interest for the virtual dissection of laboratoryanimals, allowing extended analysis of various tissues and organs complementary to standard histological andmicroscopic approaches.

Ma thèse de doctorat s’inscrit à l’interface entre la physique expérimentale et la biologie. Ce travail a été développé au sein de l’équipe imXgam du CPPM, qui a construit un prototype de micro-tomographie pour le suivi non-invasif du petit animal, équipé d’une caméra à pixels hybrides XPAD3 fonctionnant en mode comptage de rayons X. Le comptage de rayons X rendu possible par la technologie des pixels hybrides, permet de s’affranchir du bruit électronique et d’augmenter ainsi la détectabilité des tissus faiblement contrastés. Elle présente de plus la capacité d'appliquer à chaque pixel un seuil de détection en énergie permettant d’accéder à l’information spectrale des rayons X détectés et ouvre la voie au développement d’une méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge, qui permet de différencier des agents de contraste particuliers. La caméra XPAD3 développée avec un capteur en Si présente une efficacité de détection qui limite son utilisation pour l’imagerie du vivant. Une caméra XPAD3 avec une meilleure efficacité au delà de 25 keV a été assemblée avec des capteurs en CdTe. Dans un premier temps, nous avons effectué une comparaison des caméras XPAD3/Si et XPAD3/CdTe en imagerie d’absorption standard et en imagerie au K-edge. Nous avons ensuite, en collaboration avec des biologistes de l’IBDM, assuré le suivi quantitatif et in vivo sur plusieurs mois, du développement de tumeurs hépatiques chez un modèle spécifique de souris et de l’efficacité d’un traitement ciblant les cellules tumorales. Enfin, nous avons développé un protocole d’acquisition spectrale à faible dose pour réaliser une tomographie spectrale in vivo d’un foie de souris en exploitant le K-edge du baryum. / My PhD thesis is at the interface between experimental physics and biology. This work has been developed within the imXgam team at CPPM, which has built a micro-computed tomography prototype for the non-invasive longitudinal monitoring of small animal, equipped with the XPAD3 hybrid pixel camera that operates in X-ray photon counting mode. X-ray photon counting that has been made possible by hybrid pixels, allows to free images from the electronic noise and thus to increase detectability of weakly contrasted tissues. Moreover, it provides the possibility to set an energy threshold for each pixel that allows to accessing spectral information on the detected X-rays and paving the way to the development of a spectral imaging modality also named K-edge imaging, which allows to differentiate selected contrast agents. Actually, the XPAD3 camera developed with a Si sensor presents a low detective efficiency that limits its use for biomedical imaging. A XPAD3 camera with a better efficiency above 25 keV has been assembled with high-Z CdTe sensors. Firstly, we have performed a comparison of XPAD3/Si and XPAD3/CdTe cameras for standard absorption CT and K-edge imaging. Then, in collaboration with a team of biologists from IBDM, we have carried out the quantitative and in vivo follow-up of hepatic tumour development in a specific mouse model over several months, and of the effectiveness of a treatment targeting these tumour cells. Finally, we have developed a protocol for low dose acquisition of spectral data to realize an in vivo spectral tomography of a mouse liver using the barium spectral signature.

La tomographie d'émission monophotonique (TEMP) dédiée au petit animal est une technique d'imagerie nucléaire qui joue un rôle important en imagerie moléculaire. Les systèmes TEMP, à l'aide de collimateurs pinholes ou multi-pinholes, peuvent atteindre des résolutions spatiales submillimétriques et une haute sensibilité pour un petit champ de vue, ce qui est particulièrement attractif pour imager des souris. Une géométrie de collimation originale a été proposée, dans le cadre d'un projet, appelé SIGAHRS, piloté par la société Biospace. Ce collimateur présente des longueurs focales qui varient spatialement dans le plan transaxial et qui sont fixes dans le plan axial. Une haute résolution spatiale est recherchée au centre du champ de vue, avec un grand champ de vue et une haute sensibilité. Grâce aux simulations Monte Carlo, dont nous pouvons maîtriser tous les paramètres, nous avons étudié cette collimation originale que nous avons positionnée par rapport à un collimateur parallèle et un collimateur monofocal convergent. Afin de générer des données efficacement, nous avons développé un module multi-CPU/GPU qui utilise une technique de lancer de rayons dans le collimateur et qui nous a permis de gagner un facteur ~ 60 en temps de calcul, tout en conservant ~ 90 % du signal, pour l'isotope ⁹⁹^mTc (émettant à 140,5 keV), comparé à une simulation Monte Carlo classique. Cependant, cette approche néglige la pénétration septale et la diffusion dans le collimateur. Les données simulées ont ensuite été reconstruites avec l'algorithme OSEM. Nous avons développé quatre méthodes de projection (une projection simple (S-RT), une projection avec volume d'intersection (S-RT-IV), une projection avec calcul de l'angle solide (S-RT-SA) et une projection tenant compte de la profondeur d'interaction (S-RT-SA-D)). Nous avons aussi modélisé une PSF dans l'espace image, anisotrope et non-stationnaire, en nous inspirant de la littérature existante. Nous avons étudié le conditionnement de la matrice système pour chaque projecteur et collimateur, et nous avons comparé les images reconstruites pour chacun des collimateurs et pour chacun des projecteurs. Nous avons montré que le collimateur original proposé est le système le moins bien conditionné. Nous avons aussi montré que la modélisation de la PSF dans l'image ainsi que de la profondeur d'intéraction améliorent la qualité des images reconstruites ainsi que le recouvrement de contraste. Cependant, ces méthodes introduisent des artefacts de bord. Comparé aux systèmes existants, nous montrons que ce nouveau collimateur a un grand champ de vue (~ 70 mm dans le plan transaxial), avec une résolution de 1,0 mm dans le meilleur des cas, mais qu'il a une sensibilité relativement faible (1,32x10⁻² %). / Small animal single photon emission computed tomography (SPECT) is a nuclear medicine imaging technique that plays an important role in molecular imaging. SPECT systems using pinhole or multi-pinhole collimator can achieve submillimetric spatial resolution and high sensitivity in a small field of view, which is particularly appropriate for imaging mice. In our work, we studied a new collimator dedicated to small animal SPECT, in the context of a project called SIGAHRS, led by the Biospace company. In this collimator, focal lengths vary spatially in the transaxial plane and are fixed in the axial plane. This design aims at achieving high spatial resolution in the center of the field of view, with a large field of view and high sensitivity. Using Monte Carlo simulations, where all parameters can be controlled, we studied this new collimator geometry and compared it to a parallel collimator and a cone-beam collimator. To speed up the simulations, we developed a multi-CPU/GPU module that uses a technique of ray tracing. Using this approach, the acceleration factor was ~ 60 and we restored ~ 90 % of the signal for ⁹⁹^mTc (140.5 keV emission), compared to a classical Monte Carlo simulation. The 10 % difference is due to the fact that the multi-CPU/GPU module neglects the septal penetration and scatter in the collimator. We demonstrated that the data acquired with the new collimator could be reconstructed without artifact using an OSEM algorithm. We developed four forward projectors (simple projector (S-RT), projector accounting for the surface of the detecting pixel (S-RT-IV), projection modeling the solid angle (S-RT-SA) of the projection tube, and projector modeling the depth of interaction (S-RT-SA-D)). We also modeled the point spread function of the collimator in the image domain, using an anisotropic non-stationary function. To characterize the reconstruction, we studied the conditioning number of the system matrix for each projector and each collimator. We showed that the new collimator was more ill-conditioned than a parallel collimator or a cone-beam collimator. We showed that the image based PSF and the modeling of the depth of interaction improved the quality of the images, but edge artefacts were introduced when modeling the PSF in the image domain. Compared to existing systems, we showed that this new collimator has a large field of view (~ 70 mm in the transaxial plane) with a resolution of 1.0 mm in the best case but suffers from a relatively low sensitivity (1.32x10⁻² %).

In this thesis, we describe several imaging techniques specifically designed and developed for the assessment of pulmonary structure, function and pathology. We then describe the application of this technology within appropriate biological systems, including the identification, tracking and assessment of lung tumors in a mouse model of lung cancer. The design and development of a Large Image Microscope Array (LIMA), an integrated whole organ serial sectioning and imaging system, is described with emphasis on whole lung tissue. This system provides a means for acquiring 3D pathology of fixed whole lung specimens with no infiltrative embedment medium using a purpose-built vibratome and imaging system. This system enables spatial correspondence between histology and non-invasive imaging modalities such as Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Positron Emission Tomography (PET), providing precise correlation of the underlying 'ground truth' pathology back to the in vivo imaging data. The LIMA system is evaluated using fixed lung specimens from sheep and mice, resulting in large, high-quality pathology datasets that are accurately registered to their respective CT and H&E histology. The implementation of an in vivo micro-CT imaging system in the context of pulmonary imaging is described. Several techniques are initially developed to reduce artifacts commonly associated with commercial micro-CT systems, including geometric gantry calibration, ring artifact reduction and beam hardening correction. A computer controlled Intermittent Iso-pressure Breath Hold (IIBH) ventilation system is then developed for reduction of respiratory motion artifacts in live, breathing mice. A study validating the repeatability of extracting valuable pulmonary metrics using this technique against standard respiratory gating techniques is then presented. The development of an ex vivo laser scanning confocal microscopy (LSCM) and an in vivo catheter based confocal microscopy (CBCM) pulmonary imaging technique is described. Direct high-resolution imaging of sub-pleural alveoli is presented and an alveolar mechanic study is undertaken. Through direct quantitative assessment of alveoli during inflation and deflation, recruitment and de-recruitment of alveoli is quantitatively measured. Based on the empirical data obtained in this study, a new theory on alveolar mechanics is proposed. Finally, a longitudinal mouse lung cancer study utilizing the imaging techniques described and developed throughout this thesis is presented. Lung tumors are identified, tracked and analyzed over a 6-month period using a combination of micro-CT, micro-PET, micro-MRI, LSCM, CBCM, LIMA and H&E histology imaging. The growth rate of individual tumors is measured using the micro-CT data and traced back to the histology using the LIMA system. A significant difference in tumor growth rates within mice is observed, including slow growing, regressive, disappearing and aggressive tumors, while no difference between the phenotype of tumors was found from the H&E histology. Micro-PET and micro-MRI imaging was conducted at the 6-month time point and revealed the limitation of these systems for detection of small lesions ( < 2mm) in this mouse model of lung cancer. The CBCM imaging provided the first high-resolution live pathology of this mouse model of lung cancer and revealed distinct differences between normal, suspicious and tumor regions. In addition, a difference was found between control A/J mice parenchyma and Urethane A/J mice ‘normal’ parenchyma, suggesting a 'field effect' as a result of the Urethane administration and/or tumor burden. In conclusion, a comprehensive murine lung cancer imaging study was undertaken, and new information regarding the progression of tumors over time has been revealed.