Spectral optical imaging : clinical and preclinical applications

L'imagerie optique spectrale désigne la formation d'images pour plusieurs domaines du spectre lumineux. Cette technique peut être appliquée aux tissus biologiques dans le but de quantifier des marqueurs intrinsèques. Le contexte biomédical de cette thèse est la neuroimagerie fonctionnelle interventionnelle d'une part et la détection de pathologies tissulaires lors d'explorations endoscopiques d'autre part (preuve de concept pour l'exploration endoscopique du côlon du modèle murin). Pour les deux organes visés, les applications ont pour objectif d'estimer les variations spatio-temporelles de l'oxygénation tissulaire. Ces mesures sont guidées par la physiologie et reposent sur l'élaboration de dispositifs expérimentaux, l'acquisition et le traitement de données en temps réel et le développement de modèles de détection. La neuroimagerie fonctionnelle est une technique d'imagerie basée sur la détection des zones du cortex qui sont le siège de processus cognitifs. Cette détection est primordiale afin d'éviter tout déficit cognitif à la suite d'une opération de neurochirurgie. Si l'IRM fonctionnelle (IRMf ) est à cette fin la technique de référence pré-opératoire, elle souffre de biais de localisation pendant l'intervention chirurgicale ("brain shift"). Pendant la neurochirurgie la technique de référence est la stimulation électrique. Cette technique comporte cependant les inconvénients de fournir des informations ponctuelles et de présenter un risque de déclenchement de crises d'épilepsie. Afin de surmonter les insuffisances des techniques de références actuelles, nos contributions dans le cadre de l'imagerie optique spectrale sont : - Le développement d'un dispositif expérimental pour l'acquisition et le traitement temps réel de données ; - Le développement d'une méthode d'optimisation d'un dispositif expérimental basé sur la simulation de la réponse hémodynamique et métabolique cérébrale ; - Le développement de modèles robustes pour la détection per-opératoire de la fonctionnalité cérébrale validé dans un cadre clinique sur trois patients L'endoscopie désigne en imagerie médicale une méthode optique de visualisation des tissus dans une cavité. La plupart des endoscopes utilisés dans un contexte clinique ou préclinique délivrent des ux d'images "en couleurs" obtenues avec une illumination continue en lumière blanche. Récemment, les endoscopes multispectraux (NBI notamment) ont permis une amélioration du contraste des images pour la caractérisation, voire la détection de pathologies tissulaires. Ces dispositifs d'inspection donnent accès à une information sur la surface tissulaire, davantage liée au volume sanguin local qu'à son oxygénation, et ne permettant pas in fine une identification binaire des lésions tissulaires (la détection des anomalies tissulaires est dépendante de l'appréciation visuelle du praticien). Notre contribution a consisté à développer un prototype d'endoscope multispectral dans le visible et le proche infrarouge, pour l'acquisition et le traitement en temps réel des données. Le traitement des données est basé sur un modèle simple d'extraction de paramètres semi-quantitatifs.Spectral optical imaging refers to the formation of images using several wavelengths of the light spectrum. This technique can be applied to biological tissues to quantify intrinsic markers. In this thesis, two biomedical applications have been investigated: intraoperative functional neuroimaging and the detection of pathological tissues in endoscopic explorations (proof of concept for the endoscopic exploration in a murin model). For both applications, the objective is to estimate the oxygenation spatio-temporal changes in biological tissues. These measurements are guided by physiology and are based on the development of experimental devices, the acquisition and processing of data in "real time" and the development of detection models. Functional neuroimaging is an imaging technique based on the detection of cortical areas associated with cognitive processes. This identification is essential to avoid any cognitive impairments after neurosurgery. Functional MRI (fMRI) is the preoperative gold standard for the identification of functional areas but is rarely used intraoperatively due to the brain shift phenomenon. The intraoperative gold standard is the electrical brain stimulation. However this technique suffers from limitations: the measurements are punctual and could trigger epilepsy seizures. In order to respond to these issues, our contributions in the field of spectral optical imaging are : - The development of an experimental setup for real-time data acquisition and processing ; - The development of a method for optimizing an experimental setup based on the simulation of the hemodynamic and metabolic responses in the brain. - The development of robust models for the intraoperative identification activated cortical areas validated a clinical study carried out on 3 patients In medical imaging, endoscopy is an optical method of visualizing tissue in a cavity. Most endoscopes used in clinical or preclinical studies acquire color images obtained with a continuous wave white light illumination. Recently, multispectral endoscopes, such as NBI endoscopes, have led to an improvement in image contrast for the characterization and even detection of pathological tissues. These devices have the ability to collect tissue surface information more related to local blood volume than to its oxygenation. Moreover these devices do not allow binary identification of tissue lesions, indeed, the identification is dependent to the visual perception of the endoscope users. Our contribution consisted in developing a prototype multispectral endoscope in the visible and near infrared range for real-time data acquisition and processing. Data processing are based on a simple model for the extraction of semi-quantitative parameters