Brevet FR2895897A1 — publié le 20070713

Procédé et dispositif de reconstruction d'image de tomoçiraphie optique de fluorescence par double mesure Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de reconstruction d'une image de tomographie optique par fluorescence pour examiner un objet comportant des fluorophores et ayant une première face et une seconde face opposée, procédé comportant : une première étape d'éclairement de la première face de l'objet avec une lumière d'excitation des fluorophores et une première étape d'acquisition d'une première image par détection d'une lumière émise par la seconde face de l'objet. État de la technique La tomographie optique de fluorescence consiste à déterminer la répartition tridimensionnelle de fluorophores dans un objet comportant un milieu homogène diffusant. Les fluorophores peuvent être fonctionnalisés pour cibler des cellules tumorales et, ainsi, marquer des cellules cancéreuses. Ur e face avant de l'objet est éclairée par une lumière d'excitation dont le :;pectre correspond au fluorophore. Généralement une lumière d'excitation est déplacée point par point sur la surface de l'objet et une caméra prélève l'image de la lumière de fluorescence qui est émise par la face arrière de l'objet, dans le cas d'une géométrie de transmission où l'objet présente, par exemple, la forme d'une tranche ou d'une plaque (géométrie de type slab en anglais). Ainsi, la face avant et la face arrière opposée constituent deux plans parallèles. Cette géométrie est fréquemment utilisée en mammographie et irnagerie du petit animal. Comme représenté sur la figure 1, l'objet 1 est éclairé par un jeu de sources lumineuses S d'une longueur d'onde d'excitation Xex placées vis-à-vis d'une première face 2 de l'objet 1. La lumière transmise à la longueur d'onde d'excitation Xex et la lumière émise par les fluorophores 4 avec une longueur d'onde d'émission Xem sont détectées par un jeu de détecteurs D disposé vis-à-vis d'une seconde face 3 de l'objet 1, opposée à la première face 2. En pratique, le jeu de sources peut être remplacé par un laser dont le faisceau se déplace sur la première face 2 de l'objet 1. Les longueurs d'onde d'excitation k ex et d'émission kern sont détectées séparément par l'intermédiaire de filtres optiques. Ainsi, on distingue les signaux Uex(s,d) détectés à la longueur d'onde d'excitation ?.ex et les signaux Uem(s,d) détectés à la longueur d'onde d'émission ?,em, s et d étant les indices identifiant respectivement la source S et le détecteur D correspondant au signal U(s,d), c'est-à-dire la source S et le détecteur D activés pour l'acquisition du signal U(s,d). Le traitement des signaux Uex(s,d) et Uem(s,d) permet de reconstruire la répartition des fluorophores 4 dans l'objet 1. Les algorithmes pour résoudre ce problème sont bien connus et décrits, par exemple, dans l'article Optical tomography in medical imaging de S. R.Arridge (Inverse Problems 15, R41-R93, 1999). Le problème est notamment résolu à partir de l'équation de diffusion, établie à partir de l'équation de transfert radiatif. Chaque source S génère dans le milieu une onde diffusive ayant la longueur d'onde Xex. L'onde diffusive se propage dans le milieu et une partie de l'énergie de l'onde diffusive excite les fluorophores 4 qui peuvent être considérés comme des :sources secondaires réémettant un rayonnement à la longueur d'onde d'émission Xem. L'équation de diffusion est résolue par l'intermédiaire de fonctions de Green dans une géométrie de plans parallèles, ce qui permet d'obtenir une expression analytique pour la propagation de l'onde diffusive clans le milieu. En ce qui concerne le signal de fluorescence, on considère que chaque fluorophore 4 présente un paramètre de conversion de photons correspondant à la fraction de l'énergie incidente qui est réémise avec la longueur J'onde d'émission Xem. De manière plus générale, on peut associer à chaque élément de volume M (voxel) de l'objet 1 un paramètre de conversion X(m), où m est l'indice de maillage identifiant les voxels M qui sont définis selon un maillage quelconque du volume de l'objet 1. On note G(m,d) la fonction de Green correspondant à la propagation de lumière entre un voxel M et un détecteur D. De plus, on note G(s,m) la fonction de Green correspondant à la propagation de lumière entre une source S et un voxel M. Le flux incident clans le voxel M et correspondant à la source S est proportionnel à Q(s)G(s,m), où Q(s) est le flux émis par la source S. Le flux réémis par le voxel M avec la longueur d'onde d'émission 2 em est donné par Q(s)G(s,m)X(m). La contribution du voxel M excité par la source S, au signal détecté par le détecteur D est donc proportionnelle à Q(s)G(s,m)X(m)G(m,d). En considérant l'ensemble du volume de l'objet, le signal Uem(s,d) est proportionnel à la somme des contributions de tous les voxels M, c'est-à-dire à l'expression Q(s)Em(G(s,m)X(m)G(m,d)). Lorsque les flux Q(s) émis par les sources S sont constants et égaux pour toutes les différentes sources, on peut incorporer les différentes constantes dans les paramètres de conversion X(m) et on obtient : Uems,d = Gs,mX mGm,d (1). m On obtient ainsi un système linéaire d'équations reliant les mesures des détecteurs aux paramètres de conversion X(m) inconnus et recherchés. L'acquisition d'un nombre suffisant de mesures permet ainsi de reconstruire la répartition des fluorophores 4 dans l'objet 1. La reconstruction propren-ent dite est, par exemple, effectuée au moyen d'un algorithme itératif de type ART (Algebraic Reconstruction Technique) qui minimise l'erreur entre les mesures expérimentales et le résultat analytique calculé. 2 L'algoritme ART minimise l'erreur Uem s d m Gs,m X mGm,d Uex s,d Uex s,d = I1Ymes ùWXmFI2 (2), avec W=G(s,m)G(m,d)/Uex(s,d). La lumière d'excitation de la fluorescence et la lumière de fluorescence sont 30 habituellement situées dans la bande spectrale du proche infrarouge, puisque le pouvoir de pénétration de cette lumière est relativement important dans des tissus biologiques. Le coefficient d'extinction étant par exemple de 2,5cm-1, 35 l'intensité de lumière est réduite par un facteur 12 pour chaque centimètre pénétré, ce qui exclut l'étude dans une profondeur supérieure à 10 cm. Etant donné que l'objet présente une certaine épaisseur, les fluorophores ne sont pas tous à la même distance ni de la source de lumière, ni des détecteurs, ce qui entraîne une perte de précision dans la reconstruction de l'image. En effet, les zones de l'objet situées près du plan des sources de lumière sont imagées avec une qualité moindre que celles qui sont près du plan des détecteurs, comme indiqué dans l'article Effects of sampling and limited data ire optical tomography de V.A.Markel et al. (Applied Physics Letters Vol. 81, No.7, 2002). L'article Dual-projection optical diffusion tomography de V.A.Markel et al. (Optics letters Vol. 29, No.17, 2004) propose d'utiliser deux projections orthogonales pour améliorer la résolution en profondeur par rapport à la résolution transverse, ce qui ne permet pas d'examiner des objets sous forme de tranche dont l'épaisseur est de l'ordre du centimètre et dont la largeur et la hauteur sont nettement supérieures au centimètre. L'article Singular-value analysis and optimization of experimental parameters in fluorescence molecular tomography de E.E.Graves et al. (J. Opt. Soc. Am. Vol. 21, No.2 2004) étudie les distributions optimales de sources de lumière et de détecteurs pour la géométrie en plans parallèles. Par ailleurs, dans le cas où l'ensemble de détecteurs est constitué par une caméra, le nombre de points éclairés individuellement est souvent plus petit que le nombre de pixels de la caméra. Cette différence de résolution de part et d'autre de l'objet mène à un résultat peu précis. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, en particulier, d'améliorer la résolution de la reconstruction de la répartition de fluorophores dans un milieu diffusant ayant la forme d'une plaque. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le procédé comporte également :35 une seconde étape d'éclairement de la seconde face de l'objet a/ec une lumière d'excitation des fluorophores, une seconde étape d'acquisition d'une seconde image par détection d'une lumière émise par la première face de l'objet et la reconstruction de la répartition des fluorophores dans l'objet par l'intermédiaire de la première et de la seconde image. Avantageusement, la lumière émise par la première face et la lumière émise par la seconde face sont filtrées afin de supprimer la lumière d'excitation. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la reconstruction de la répartition des fluorophores dans l'objet est effectuée en établissant deux systèmes linéaires d'équations à partir de deux jeux de matrices de fonctions de Green respectifs. De préférence, les deux systèmes linéaires d'équations sont combinés pour être résolus. L'invention a également pour but un dispositif pour la mise en oeuvre du 20 procédé de reconstruction, comportant : des moyens pour l'éclairement de la première face de l'objet avec une lumière d'excitation des fluorophores et des moyens pour l'acquisition d'une première image par détection d'une lumière émise par la seconde face de l'objet, 25 le dispositif comportant également : des moyens pour l'éclairement de la seconde face de l'objet avec une lumière d'excitation des fluorophores, des moyens pour l'acquisition d'une seconde image par détectior d'une lumière émise par la première face de l'objet et 30 des moyens pour la reconstruction de la répartition des fluorophores dans l'objet par l'intermédiaire de la première et de la seconde image. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 15 6 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins ainexés, dans lesquels : La figure 1 illustre un procédé de reconstruction selon l'art antérieur. La figure 2 montre schématiquement différentes étapes d'un procédé de reconstruction selon l'invention. Les figures 3 et 4 illustrent un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation L'invention concerne une géométrie en plans parallèles, l'objet 1 ayant, typiquement, une épaisseur comprise entre 10 et 15mm. Un jeu de sources S de lumière est, de préférence, constitué par une source laser que l'on déplace selon deux directions orthogonales pour quadriller l'objet 1. Typiquement, le laser décrit une grille de 11 par 15 positions avec un pas de 3mm. Selon la précision à obtenir, le pas peut être réduit et selon la taille de la zone à observer, le nombre de points peut être augmenté (par exemple de l'ordre de 30 points ou plus dans les deux directions). L'ensemble de détecteurs est, de préférence, constitué par une caméra CCD couplée à une lentille permettant d'imager l'objet dans un plan parallèle à la surface de l'objet 1. La caméra acquiert ainsi une image pour chaque pos tion de la source laser. La résolution intrinsèque de l'image est déterminée par la taille des pixels de détection et par le grandissement du système optique. Généralement, les images sont ensuite ré-échantillonnées pour limiter le nombre de points de détection et, ainsi, le temps de calcul. Typiquement, le ré-échantillonnage est effectué avec un pas quatre fois plus faible que celui des sources. Au final, on obtient ainsi 16 fois plus de points de détection que de points de source. Comme illustré à la figure 2, on effectue une première étape d'éclairement de la première face 2 de l'objet 1 (F1) avec une lumière d'excitation des fluorophores ayant une longueur d'onde d'excitation Xex. Une première image est acquise (F2) par détection d'une lumière émise par la seconde face 3 de l'objet 1, qui 7 peut comporter la longueur d'onde d'excitation kex et la longueur d'onde d'émission Xem du fluorophore 4. Le procédé de reconstruction d'image selon l'invention comporte une seconde étape d'éclairement (F3) de la seconde face 3 de l'objet 1 avec une lumière d'excitation des fluorophores ayant une longueur d'onde d'excitation tex. Une seconde étape d'acquisition d'une seconde image (F4) est associée à la seconde étape d'éclairement. La seconde étape d'acquisition détecte la lumière émise par la première face 2 de l'objet 1, qui peut comporter la longueur d'onde d'excitation Xex et la longueur d'onde d'émission Xem du fluorophore 4. La reconstruction (F5) de la répartition des fluorophores 4 dans l'objet 1 est effectuée par l'intermédiaire de la première et de la seconde image. Avantageusement, la lumière émise par la première face 2 et la lumière émise 15 par la seconde face 3 sont filtrées afin de supprimer la lumière d'excitation. Ainsi, seule la longueur d'onde d'émission Xem du fluorophore 4 est détectée. Ainsi, les différentes zones de l'objet 1 sont imagées avec une haute résolution dans au moins une des étapes d'acquisition d'image et la résolution n'est donc 20 plus limitée du fait de l'épaisseur de l'objet 1, grâce au fait de retourner la mesure. Par ailleurs, dans le cas où le nombre de points de détection serait égal au nombre de points de source, un retournement de la mesure pe Jt être obtenu par une simple transposition des matrices G(s,m) et le retournement expérimental ne serait donc pas nécessaire. 25 Afin de reconstruire l'image de l'objet 1 par l'intermédiaire de la première image et de la seconde image, on complète le système linéaire précédemment décrit en utilisant deux jeux de matrices des fonctions de Green correspondant respectivement à la première et la seconde acquisition d'image. A chaque 30 itération de l'algorithme de type ART, au lieu de ne considérer qu'un système linéaire unique, on considère l'ensemble d'équations formé par les deux systèmes. Le premier et le second système linéaire d'équations, respectivement associés 35 à la première et à la seconde acquisition d'image (F2 et F4) peuvent s'écrire comme l'équation 1 ci-dessus. On peut définir un super indice i=i(s,,J) de mesure qui englobe les indices s et d des sources de lumière et des 8 détecteurs, par exemple conformément à la relation i=Nd.s+d, où NI est le nombre des détecteurs. Avec W(i,m)=G(s,m)G(m,d), chaque système s'écrit alors : Uem' _ ~GsmXmGmd (3), m ce qui équivaut aux systèmes matriciels U1= W1X et U2 = W2X. On combine les deux systèmes correspondant respectivement aux deux acquisitions d'image en écrivant : Ul ril[X] , ou bien sous forme symbolique U = WX (4), U2 2 où U est une matrice à une colonne et 2n lignes, W est une matrice à m colonnes et 2n lignes et X est une matrice à une colonne et m lignes, avec n=Nd.Ns (Ns est le nombre de sources). Comme défini d-dessus, m est l'indice de maillage. On peut considérer les équations des deux systèmes séquentiellement ou les réarranger aléatoirement. La mesure selon l'invention est notamment moins sensible aux mouvements des fluorophores 4 de l'objet 1 (par exemple provoqués par un mouvement de l'objet 1 entier, comme dans le cas de la respiration). En effet, dans la géométrie en plans parallèles selon l'art antérieur, un fluorophore en mouvement disposé près des sources est moins bien reconstruit qu'un fluorophore en mouvement disposé près des détecteurs. Le fait d'utiliser deux acquisitions d'image par retournement permet non seulement de pallier à ce déséquilibre mais, de plus, d'améliorer la résolution sur toute l'épaisiseur de l'objet 1. Le traitement des première et seconde images permet d'obtenir un résultat amélioré par rapport à l'art antérieur, même si les première et seconde images sont traitées indépendamment. En effet, une zone près de l'une des su laces 2 ou 3 de l'objet 1 est ainsi toujours bien résolue grâce à celle des première et seconde images pour laquelle le détecteur est disposé près de la zone. On peut davantage améliorer la résolution du procédé de reconstruction par l'intermédiaire du traitement combiné des première et seconde images, -ce qui a été prouvé par l'intermédiaire de simulations. 9 Le procédé peut être mise en oeuvre par l'intermédiaire d'un cispositif comportant des sources lumineuses S pour l'éclairement de la première face 2 de l'objet 1 avec une lumière d'excitation Xex des fluoropihores 4, comme représenté à la figure 3. De plus, le dispositif comporte un détecteur D, de préférence une caméra pour l'acquisition d'une première image par détection d'une lumière émise par la seconde face 3 de l'objet 1. [)e préférence, le détecteur D comporte un filtre pour éliminer la lumière d'excitation Xex. Comme représenté à la figure 4, le dispositif comporte également une source S pour l'éclairement S de la seconde face 3 de l'objet 1 avec une lumière d'excitation ~o ?ex des fluorophores 4, un détecteur D pour l'acquisition d'une seconde image D par détection d'une lumière émise par la première face 2 de l'objet 1 et une unité de calcul C pour la reconstruction de la répartition des fluorophores 4 dans l'objet 1 par l'intermédiaire de la première et de la seconde image. 15 Les première et seconde étapes d'éclairement (F1, F3) peuvent être effectuées avec une même source de lumière S. Dans un premier mode de réalisation particulier, la source de lumière S et l'objet 1 sont déplacés relativement entre les première et seconde étapes d'éclairement. Par exemple, comme représenté aux figures 2 et 3, la source de lumière S et le détecteur D 20 sont déplacés, tandis que l'objet 1 reste immobile. On peut également envisager de retourner l'objet 1. Dans un second mode de réalisation particulier, la lumière d'excitation peut être dirigée sur les première (2) et seconde (3) faces de l'objet 1 par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs miroirs. 25 Les première et seconde étapes d'acquisition d'image (F2, F4) peuvent être effectuées avec une même caméra. Par exemple, la caméra consti'uant le détecteur D est déplacée comme représenté sur les figures 3 et 4, ou bien l'objet est retourné comme décrit d-dessus. Pour l'acquisition d'image également, on peut envisager de diriger la lumière provenant des première (2) 30 et seconde (3) faces sur la caméra par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs miroirs. Revendications 1. Procédé de reconstruction d'une image de tomographie optique par fluorescence pour examiner un objet (1) comportant des fluorophores (4) et ayant une première face (2) et une seconde face (3) opposée, procédé comportant : une première étape d'éclairement (F1) de la première face (2) de l'objet (1) 10 avec une lumière d'excitation (a.ex) des fluorophores (4) et une première étape d'acquisition d'une première image (F2) par détection d'une lumière (Xex, ~,em) émise par la seconde face (3) de l'objet (1), procédé caractérisé en ce qu'il comporte : une seconde étape d'éclairement (F3) de la seconde face (3) de l'objet (1) 15 avec une lumière d'excitation (?,ex) des fluorophores (4), une seconde étape d'acquisition d'une seconde image (F4) par détection d'une lumière (Xex, T.em) émise par la première face (2) de l'objet (1) et la reconstruction (F5) de la répartition des fluorophores (4) dans l'objet (1) par l'intermédiaire de la première et de la seconde image. 20 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lumière émise par la première face 2 et la lumière émise par la seconde face 3 sont filtrées pour supprimer la lumière d'excitation (Xex) des fluorophores (4). 25 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce cue les première et seconde étapes d'éclairement (F1, F3) sont effectuées avec une même source de lumière (S), la source de lumière (S) et l'objet (1) étant déplacés relativement entre les première et seconde étapes d'éclairement (F1, F3). 30 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les première et seconde étapes d'éclairement (F1, F3) sont effectuées avec une même source de lumière (S), la lumière d'excitation (k ex) étant dirigée :;ur les première (2) et seconde (3) faces par l'intermédiaire d'au moins un miroir. 35 11 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les première et seconde étapes d'acquisition d'image (F2, F4) sont effectuées avec une même caméra (D), la caméra (D) et l'objet (I) étant déplacés relativement entre les première et seconde étapes d'acquisition d'image (F2, F4). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les première et seconde étapes d'acquisition d'image (F2, F4) sont effectuées avec une même caméra (D), la lumière provenant des première (2) et seconde (3) faces étant dirigée sur la caméra (D) par l'intermédiaire d'au moins un miroir. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la reconstruction (F5) de la répartition des fluorophores dans l'objet (1) est effectuée en établissant deux systèmes linéaires d'équations à partir de deux jeux de matrices de fonctions de Green respectifs. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux systèmes linéaires d'équations sont combinés pour être résolus. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de reconstruction selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant : - des moyens pour l'éclairement (S) de la première face (2) de l'objet (1) avec une lumière d'excitation (Xex) des fluorophores (4) et - des moyens pour l'acquisition d'une première image (D) par détection d'une lumière (Xex, Xem) émise par la seconde face (3) de l'objet (1;, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte : des moyens pour l'éclairement (S) de la seconde face (3) de l'objet (1) avec une lumière d'excitation (Xex) des fluorophores (4), des moyens pour l'acquisition d'une seconde image (D) par détection d'une lumière (Xex, )\em) émise par la première face (2) de l'objet (1 i et des moyens pour la reconstruction (C) de la répartition des fluorophores (4) dans l'objet (1) par l'intermédiaire de la première et de la seconde image.35