Time-resolved multispectral optical tomography for reconstruction of depth-resolved changes in oxy- and deoxyhemoglobin - SIGMAPHY Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Time-resolved multispectral optical tomography for reconstruction of depth-resolved changes in oxy- and deoxyhemoglobin

Tomographie optique multispectrale résolue en temps pour la reconstruction de changements en profondeur de l’oxy- et de la déoxyhémoglobine

Résumé

Noninvasive and continuous monitoring of patients are key features in the future of medical imaging. Biophotonics is a field that is attracting a lot of interest because its technology is intrinsically noninvasive and potentially miniaturizable and wearable. Regarding the imaging of human tissue using photonics, it has been proven that near-infrared diffuse optical tomography (DOT) permits to probe noninvasively and in depth the human tissue by reconstructing parameters of the composition of biological tissues such as the concentrations of oxygenated and deoxygenated hemoglobin in the blood. In this thesis, I describe the novel improvements I developed in the field of time-resolved DOT algorithms. First, I introduce a novel method to compute datatypes for tomographic reconstruction of time-resolved measurements. The results show that with this new approach the noise of datatypes are decorrelated and resolution in depth of reconstructions is improved significantly for inclusions deeper than 2.5 centimeters. After, I describe two different approaches to perform total variation regularization for DOT reconstruction on irregular meshes. The knowledge developed in previous parts was applied to in-vivo experiments on human subjects. In collaboration with Politecnico di Milano, I tested a time-resolved tomographic system with two probes of three source fibers and four silicon photomultiplier detectors each. Arm occlusion experiments were performed to validate the technology. After, I did motor cortex activation experiments on three different subjects. The results show that it is possible to monitor with one-second resolution the motor cortex activation and that spatial and in depth information can also be retrieved. Finally, I introduce the reader to the effort that is being done at BitMap network to push the standardization of diffuse optics field. I describe the work I did to build an open dataset with the measurements performed at twenty-eight instruments from eight different European institutions using three validated European protocols.
La surveillance non invasive et continue des patients est un élément clé de l'avenir de l'imagerie médicale. La biophotonique est un domaine qui suscite beaucoup d'intérêt, car sa technologie est intrinsèquement non invasive, potentiellement miniaturisable et portable. En ce qui concerne l'imagerie de tissus humains en photonique, il a été prouvé que la tomographie optique diffuse dans le proche infrarouge (DOT) permettait de sonder de manière non invasive et en profondeur les tissus humains en reconstruisant des paramètres de la composition des tissus biologiques, tels que les concentrations en hémoglobine oxygénée et désoxygénée du sang. Dans cette thèse, je décris les nouvelles améliorations que j'ai développées dans le domaine des algorithmes DOT sur des acquisitions résolues en temps. Premièrement, je présente une nouvelle méthode de calcul des types de données pour la reconstruction tomographique de mesures résolues en temps. Les résultats montrent qu'avec cette nouvelle approche, le bruit des nouveaux types de données est décorrelé et la résolution en profondeur des reconstructions est améliorée de manière significative pour les inclusions plus profondes que 2,5 centimètres. Ensuite, je décris deux approches différentes pour effectuer la régularisation ((variation totale))pour la reconstruction DOT sur des maillages irréguliers. Les connaissances développées dans les parties précédentes ont été appliquées à des expériences in vivo sur des sujets humains. En collaboration avec Politecnico di Milano, j'ai testé un système tomographique à résolution temporelle avec deux sondes de trois sources et quatre détecteurs (photomultiplicateurs en silicium). Des expériences d'occlusion de bras ont été réalisées pour valider la technologie. Après, j'ai fait des expériences d'activation du cortex moteur sur trois sujets différents. Les résultats montrent qu'il est possible de surveiller l'activation du cortex moteur avec une résolution d'une seconde et que des informations spatiales et en profondeur peuvent également être récupérées. Enfin, je présente au lecteur les efforts déployés par le réseau BitMap pour pousser la normalisation du domaine de l'optique diffuse. Je décris le travail que j'ai effectué pour construire un jeu de données public avec les mesures effectuées sur 28 instruments de huit institutions européennes différentes à l'aide de trois protocoles européens valides.
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Identifiants

  • HAL Id : tel-02411550 , version 1

Citer

David Orive-Miguel. Time-resolved multispectral optical tomography for reconstruction of depth-resolved changes in oxy- and deoxyhemoglobin. Signal and Image processing. COMMUNAUTÉ UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02411550v1⟩
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