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.

Em tecidos biológicos lesados, a viscoelasticidade é a propriedade física que mais se modifica em relação ao tecido normal. Palpação manual é geralmente usada para identificar estas lesões, tais como nódulos e cistos. Recentemente, vários estudos envolvendo técnicas ultrassônicas e de ressonância magnética, denominadas elastografia, têm sido empregadas para avaliar as propriedades viscoelásticas dessas lesões. Uma das dificuldades neste tipo de estudo está relacionada ao desenvolvimento de simuladores de tecidos biológicos com inclusões equivalentes, uma vez que, essas estruturas lesadas originam-se a partir do próprio tecido biológico. Com base nessas motivações, técnicas quantitativas de elastografia por ressonância magnética e ultrassom foram exploradas para avaliar lesões simuladas em fantomas viscoelásticos. Estas lesões, com diferentes propriedades viscoelásticas, foram geradas no interior de um fantoma usando radiação ionizante. Os fantomas, também conhecidos como gel dosimétrico, foram desenvolvidos a base de pele animal, e irradiados utilizando um sistema de terapia de radiação convencional. Imagens de relaxometria por ressonância magnética (RRM) foram adquiridas nestes fantomas e usadas como referência padrão da dose absorvida e de sua distribuição. Os perfis da distribuição de dose avaliados nessas imagens de RRM e pelo sistema de planejamento radioterápico TPS 3D foram comparados aos de rigidez das imagens elastográficas. O estudo elastográfico nestes fantomas foi realizado utilizando os métodos de Vibroacustografia (VA), Vibrometria por Ultrassom (VU) e Elastografia por Ressonância Magnética (ERM). O segundo objetivo desta tese foi explorar a viabilidade de existência de speckle em imagens de vibroacustografia. Para testar essa idéia, um modelo tridimensional (3D) para a função de espalhamento de ponto (PSF) do sistema de VA foi simulada. O código da simulação foi desenvolvido em ambiente MATLAB e empregando sub-rotinas do programa Field II para simulação numérica dos transdutores. Imagens de ultrassom modo-B (IUSB) e vibroacustografia foram simuladas usando esse modelo de PSF-3D para um transdutor esférico e confocal, respectivamente. Essas IUSB foram simuladas para servir como um parâmetro comparativo com as imagens geradas por VA. As imagens de ultrassom foram exibidas em um plano tomográfico que corresponde ao plano de imagem da VA. As simulações foram realizadas utilizando um cluster de computadores de alto desempenho. Todas as imagens foram simuladas empregando um modelo de fantoma virtual não homogêneo com dimensões de (10 × 10 × 50) mm3. Os resultados preliminares mostraram um padrão de interferência nas imagens de VA, semelhantes à speckles, obtidas empregando o transdutor confocal. Estas imagens foram produzidas a partir de espalhadores localizados no interior do volume da célula de resolução da PSF-3D. / The viscoelasticity of injured biological tissues is the physical property that changes the most in relation to normal tissue. Manual palpation is commonly used to identify these lesions, such as nodules and cysts. Recently, several studies involving ultrasound and magnetic resonance imaging techniques, called elastography, have been employed to assess the viscoelastic properties of these lesions. One difficulty in this type of study is related to the development of biological tissues mimicking materials with similar inclusions, once these injured structures originate from anomalies within the biological tissue. Based on these motivations, quantitative elastographic techniques based on magnetic resonance and ultrasound modalities have been used to assess injuries in viscoelastic mimicking-tissue phantom materials. These lesions, with different viscoelastic properties, were generated within a phantom using ionizing radiation. The phantoms, also known as dosimeter gel, were developed based on animal skin powder, and irradiated using a conventional radiation therapy system. Magnetic resonance relaxometry images (MRR) were acquired in these phantoms, and were used as absorbed dose standard reference and its distribution. The estimated dose distribution profiles from these images and the ones provided by TPS 3D software radiotherapy planning system were compared to the elastograms. The elastographic studies were conducted using Vibro-acoustography (VA), Magnetic Resonance Elastography (MRE) and Shearwave Dispersion Ultrasound Vibrometry (SDUV) techniques. The second goal of this thesis was to explore the feasibility of speckle existence in vibro-acoustography images. To test that, a three-dimensional (3D) model for the systems point spread function (PSF) was simulated. The simulation code was implemented in MATLAB and using the program Field II subroutines. The numerical simulations were performed using a cluster of high performance computers. B-mode ultrasound and VA images were simulated using that PSF 3D model, for a spherically focused and a confocal transducer, respectively. These B-mode images were simulated as a comparative parameter to the images generated by VA. The B-mode ultrasound images were displayed in a tomographic plane corresponding to the VA imaging plane. All images were simulated using a virtual phantom with dimensions (10 × 10 × 50) mm3. Preliminary results showed a interference pattern in VA images taken with a confocal transducer. These images were produced from scatterers located inside the PSF resolution cell volume.

Em tecidos biológicos lesados, a viscoelasticidade é a propriedade física que mais se modifica em relação ao tecido normal. Palpação manual é geralmente usada para identificar estas lesões, tais como nódulos e cistos. Recentemente, vários estudos envolvendo técnicas ultrassônicas e de ressonância magnética, denominadas elastografia, têm sido empregadas para avaliar as propriedades viscoelásticas dessas lesões. Uma das dificuldades neste tipo de estudo está relacionada ao desenvolvimento de simuladores de tecidos biológicos com inclusões equivalentes, uma vez que, essas estruturas lesadas originam-se a partir do próprio tecido biológico. Com base nessas motivações, técnicas quantitativas de elastografia por ressonância magnética e ultrassom foram exploradas para avaliar lesões simuladas em fantomas viscoelásticos. Estas lesões, com diferentes propriedades viscoelásticas, foram geradas no interior de um fantoma usando radiação ionizante. Os fantomas, também conhecidos como gel dosimétrico, foram desenvolvidos a base de pele animal, e irradiados utilizando um sistema de terapia de radiação convencional. Imagens de relaxometria por ressonância magnética (RRM) foram adquiridas nestes fantomas e usadas como referência padrão da dose absorvida e de sua distribuição. Os perfis da distribuição de dose avaliados nessas imagens de RRM e pelo sistema de planejamento radioterápico TPS 3D foram comparados aos de rigidez das imagens elastográficas. O estudo elastográfico nestes fantomas foi realizado utilizando os métodos de Vibroacustografia (VA), Vibrometria por Ultrassom (VU) e Elastografia por Ressonância Magnética (ERM). O segundo objetivo desta tese foi explorar a viabilidade de existência de speckle em imagens de vibroacustografia. Para testar essa idéia, um modelo tridimensional (3D) para a função de espalhamento de ponto (PSF) do sistema de VA foi simulada. O código da simulação foi desenvolvido em ambiente MATLAB e empregando sub-rotinas do programa Field II para simulação numérica dos transdutores. Imagens de ultrassom modo-B (IUSB) e vibroacustografia foram simuladas usando esse modelo de PSF-3D para um transdutor esférico e confocal, respectivamente. Essas IUSB foram simuladas para servir como um parâmetro comparativo com as imagens geradas por VA. As imagens de ultrassom foram exibidas em um plano tomográfico que corresponde ao plano de imagem da VA. As simulações foram realizadas utilizando um cluster de computadores de alto desempenho. Todas as imagens foram simuladas empregando um modelo de fantoma virtual não homogêneo com dimensões de (10 × 10 × 50) mm3. Os resultados preliminares mostraram um padrão de interferência nas imagens de VA, semelhantes à speckles, obtidas empregando o transdutor confocal. Estas imagens foram produzidas a partir de espalhadores localizados no interior do volume da célula de resolução da PSF-3D. / The viscoelasticity of injured biological tissues is the physical property that changes the most in relation to normal tissue. Manual palpation is commonly used to identify these lesions, such as nodules and cysts. Recently, several studies involving ultrasound and magnetic resonance imaging techniques, called elastography, have been employed to assess the viscoelastic properties of these lesions. One difficulty in this type of study is related to the development of biological tissues mimicking materials with similar inclusions, once these injured structures originate from anomalies within the biological tissue. Based on these motivations, quantitative elastographic techniques based on magnetic resonance and ultrasound modalities have been used to assess injuries in viscoelastic mimicking-tissue phantom materials. These lesions, with different viscoelastic properties, were generated within a phantom using ionizing radiation. The phantoms, also known as dosimeter gel, were developed based on animal skin powder, and irradiated using a conventional radiation therapy system. Magnetic resonance relaxometry images (MRR) were acquired in these phantoms, and were used as absorbed dose standard reference and its distribution. The estimated dose distribution profiles from these images and the ones provided by TPS 3D software radiotherapy planning system were compared to the elastograms. The elastographic studies were conducted using Vibro-acoustography (VA), Magnetic Resonance Elastography (MRE) and Shearwave Dispersion Ultrasound Vibrometry (SDUV) techniques. The second goal of this thesis was to explore the feasibility of speckle existence in vibro-acoustography images. To test that, a three-dimensional (3D) model for the systems point spread function (PSF) was simulated. The simulation code was implemented in MATLAB and using the program Field II subroutines. The numerical simulations were performed using a cluster of high performance computers. B-mode ultrasound and VA images were simulated using that PSF 3D model, for a spherically focused and a confocal transducer, respectively. These B-mode images were simulated as a comparative parameter to the images generated by VA. The B-mode ultrasound images were displayed in a tomographic plane corresponding to the VA imaging plane. All images were simulated using a virtual phantom with dimensions (10 × 10 × 50) mm3. Preliminary results showed a interference pattern in VA images taken with a confocal transducer. These images were produced from scatterers located inside the PSF resolution cell volume.