Brevet FR3126045A1 — publié le 20230210

Procédé de traitement d’images photoacoustiques, comprenant une obtention (110) d’une succession temporelle d’images d’un échantillon acquises par un système d’imagerie photoacoustique pour M λ longueurs d’ondes d’impulsions d’excitations avec N images acquises par longueur d’onde; un filtrage (120) spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières appliqué à l’ensemble des N*M λ images acquises de sorte à obtenir N*M λ images filtrées ; pour chaque longueur d’onde, un calcul (140) d’une image de fluctuations filtrée, un pixel de coordonnée r dans l’image de fluctuations filtrée étant égal à l’écart type de la distribution des valeurs de pixels de même coordonnée r dans les images filtrées obtenues pour cette longueur d’onde et une correction (150A) de l’image de fluctuations filtrée par suppression de fluctuations parasites de sorte à obtenir une image de fluctuations corrigée qui est proportionnelle en chaque point d’image à l’énergie absorbée en un point de l’espace correspondant au point d’image concerné. Figure pour l'abrégé : fig. 1 analyse quantitative de fluctuations dans des tissus biologiques par imagerie photoacoustique multispectrale Le présent document concerne l’imagerie photoacoustique à résolution acoustique et plus précisément un procédé de traitement d’images acquises par un système d’imagerie photoacoustique multispectrale et un dispositif associé. Arrière-plan technique La technique d’imagerie photoacoustique (appelée également opto-acoustique) est basée sur la génération d’ondes ultrasonores produites dans un échantillon (typiquement un tissu biologique) par excitation en irradiant l’échantillon avec une radiation électromagnétique, typiquement des impulsions laser dans le spectre de 300 à 2000 nm, notamment dans la fenêtre de 650 à 950 nm. De façon générale, une image photoacoustique est reconstruite à partir de la mesure de signaux acoustiques engendrés par absorption de la lumière envoyée sur l’échantillon. Pour des raisons liées à l’efficacité de la génération photoacoustique, on utilise généralement pour l’imagerie biomédicale des impulsions brèves nanosecondes pour illuminer le tissu biologique à imager : l’absorption de la lumière impulsionnelle crée une élévation rapide de température dans le tissu mou qui engendre par effet thermoélastique une élévation de pression, pression qui relaxe alors en entrainant la propagation d’ondes acoustiques impulsionnelles dans le tissu biologique. L’imagerie photoacoustique à résolution acoustique se distingue de l’imagerie photoacoustique à résolution optique en ce qu’on utilise un réseau de capteurs d’ondes ultrasonores : connaissant la vitesse du son, on peut alors reconstruire une image indiquant les amplitudes et les positions des sources de son à partir des signaux acoustiques reçus. Alors que dans l’imagerie photoacoustique à résolution optique chaque impulsion lumineuse est focalisée point par point sur la surface de l’échantillon, et on mesure le son émis en provenance de la zone focale optique par un capteur d’onde ultrasonore unique. L'imagerie photoacoustique à résolution acoustique est une technique d'imagerie biomédicale qui fournit un contraste d'absorption optique en profondeur dans les tissus biologiques. L'imagerie photoacoustique du sang permet par exemple d'imager les vaisseaux sanguins. Le sang, via l'hémoglobine, est en effet un élément absorbeur très abondant dans le corps humain. Les dispositifs fixes d'imagerie photoacoustique utilisant des réseaux de capteurs piézo-électriques pour la capture des ondes ultrasonores présentent cependant des limites de visibilité et certaines structures des tissus n'apparaissent pas sur les images acquises du fait de limitations des capteurs en termes de bande passante et d’ouverture numérique, lorsque le réseau de capteurs n’englobe pas le milieu imagé. L'utilisation de systèmes d’acquisition à ouverture numérique limitée et à bande passante limitée provoquent ainsi des artefacts de visibilité limitée : les vaisseaux dont l'axe est quasi-aligné à celui de la sonde sont invisibles ainsi que les vaisseaux de grande taille. En particulier, on n’a pas accès aux ondes reçues sur le côté à 90° et autour et on détecte seulement les structures vasculaires à peu près horizontales mais les structures verticales n’apparaissent pas. Pour résoudre ce problème, il est possible d’utiliser une approche tomographique et d’employer des détecteurs large-bande. Ces détecteurs non résonants ne permettent cependant pas de réaliser une imagerie ultrasonore et les approches tomographiques associées ne sont pas compatibles avec tous les problèmes cliniques et pré-cliniques. Des approches basées sur l’intelligence artificielle avec apprentissage profond ont aussi été proposées récemment pour pallier aux problèmes de visibilité mais cela pose des problèmes de disponibilité de données d'entraînement ainsi que de généralisation. Il apparaît donc un besoin pour une solution d’imagerie de tissus biologiques mieux adaptée. Résumé Selon un premier aspect, un procédé de traitement d’images photoacoustiques comprend : une obtention d’une succession temporelle d’images d’un échantillon acquises par un système d’imagerie photoacoustique pour M λ longueurs d’ondes d’impulsions d’excitations avec N images acquises par longueur d’onde; un filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières appliqué à l’ensemble des N*M λ images acquises de sorte à obtenir N*M λ images filtrées ; pour chaque longueur d’onde, un calcul d’une image de variance filtrée, un pixel de coordonnée r dans l’image de fluctuations filtrée étant égal à la variance de la distribution des valeurs de pixels de même coordonnée r dans les images filtrées obtenues pour cette longueur d’onde; pour chaque longueur d’onde, une correction de l’image de variance filtrée par suppression de fluctuations parasites de sorte à obtenir une image de fluctuations corrigée qui est proportionnelle en chaque point d’image à l’énergie absorbée en un point de l’espace correspondant au point d’image concerné. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la correction de l’image de variance filtrée comprend une correction de fluctuations dues au bruit électronique de capteurs d’ondes ultrasonores du système d’imagerie photoacoustique par soustraction à chaque pixel de coordonnée r dans l’image de variance filtrée d’une variance du bruit électronique pour obtenir une image de variance corrigée ; puis une détermination de l’image de fluctuations corrigée dont chaque pixel est égal à la racine carrée du pixel correspondant de l’image de variance corrigée . Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend en outre une estimation d’une variance du bruit électronique produit par des capteurs d’ondes ultrasonores sur les images, la variance de bruit électronique produit par les capteurs d’ondes ultrasonores sur les images étant estimé en fonction d’une variance du bruit électronique produit dans les signaux photoacoustiques acquis en l’absence d’échantillon corrigée par une quantité de bruit éliminée par le filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières, la quantité de bruit étant estimée sur la base des valeurs singulières correspondant aux composantes de plus basse énergie supprimées par le filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend, pour chaque longueur d’onde considérée, une normalisation de l’image de fluctuations corrigée par une fonction de la fluence d’impulsions laser du système d’imagerie photoacoustique de sorte à obtenir une image de fluctuations d’absorption représentative des fluctuations d’absorption dues à l’échantillon. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières comprend une sélection des composantes correspondant aux valeurs singulières de plus haute énergie à supprimer et une suppression de composantes sélectionnées, la sélection étant effectuée en choisissant parmi un ensemble de valeurs d’index un index identifiant la première composante à conserver pour lequel un rapport contraste à bruit est maximal, le rapport contraste à bruit déterminé pour un index étant déterminé pour des images de variance filtrées calculées par filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières appliquant cet index pour identifier la première composante à conserver puis normalisation par rapport à une fluence moyenne. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le rapport contraste à bruit est déterminé en éliminant le contraste dû à la valeur moyenne des images acquises pour au moins une longueur d’onde . Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend un calcul d’une image du taux de saturation en oxygène à partir d’au moins deux images de fluctuations d’absorption obtenues pour au moins deux longueurs d’onde correspondantes, sur la base d’un modèle exprimant pour chaque pixel de coordonnée r une relation entre une concentration totale en hémoglobine, un taux de saturation en oxygène et la valeur au pixel r de l’image de fluctuations d’absorption. Selon un autre aspect, un dispositif de traitement d’images photoacoustiques comprend, au moins une mémoire de données comprenant des instructions de code de programme, au moins un processeur de données, le processeur de données étant configurées pour, lorsque les instructions de code de programme sont exécutées par le processeur de données, causer l’exécution par le dispositif de traitement d’images photoacoustiques d’un procédé de traitement d’images photoacoustiques selon l’un quelconque des modes de réalisation. Selon un autre aspect, un support de données lisible par ordinateur comprend des instructions de programme informatique qui, lorsqu’elles sont exécutées par un processeur, causent l’exécution d’un procédé de traitement d’images photoacoustiques selon l’un quelconque des modes de réalisation. Selon un autre aspect, un programme informatique comprenant des instructions de programme informatique qui, lorsqu’elles sont exécutées par un processeur, causent l’exécution d’un procédé de traitement d’images photoacoustiques selon l’un quelconque des modes de réalisation. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages résulteront de la description détaillée qui va suivre, effectuée sur la base de modes de réalisation et d’exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, en faisant référence aux figures annexées dans lesquelles : représente un organigramme simplifié d’un procédé de traitement d’images acquises par un système d’imagerie photoacoustique multispectrale; illustre des aspects d’un procédé de traitement d’images acquises par un système d’imagerie photoacoustique multispectrale; illustre des aspects d’une méthode de filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières utilisable dans un procédé de traitement d’images acquises par un système d’imagerie photoacoustique multispectrale ; illustre des aspects d’une méthode de filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières utilisable dans un procédé de traitement d’images acquises par un système d’imagerie photoacoustique multispectrale ; représente un organigramme simplifié d’une méthode de sélection de valeurs singulières utilisable lors d’un filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières ; illustre des aspects d’une méthode de sélection de valeurs singulières utilisable lors d’un filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières ; montre deux exemples d’images d’oxygénation obtenues par un procédé de traitement d’images acquises selon la présente description et acquises selon une méthode conventionnelle. montre deux exemples d’images d’oxygénation obtenues par un procédé de traitement d’images acquises selon la présente description et acquises selon une méthode conventionnelle. Procédé de traitement d’images photoacoustiques, comprenant - une obtention (110) d’une succession temporelle d’images d’un échantillon acquises par un système d’imagerie photoacoustique pour M λ longueurs d’ondes d’impulsions d’excitations avec N images acquises par longueur d’onde; - un filtrage (120) spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières appliqué à l’ensemble des N*M λ images acquises de sorte à obtenir N*M λ images filtrées ; - pour chaque longueur d’onde, un calcul (140) d’une image de variance filtrée, un pixel de coordonnée r dans l’image de variance filtrée étant égal à la variance de la distribution des valeurs de pixels de même coordonnée r dans les images filtrées obtenues pour cette longueur d’onde ; - pour chaque longueur d’onde, une correction (150A) de l’image de variance filtrée par suppression de fluctuations parasites de sorte à obtenir une image de fluctuations corrigée qui est proportionnelle en chaque point d’image à l’énergie absorbée en un point de l’espace correspondant au point d’image concerné. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la correction (150A) de l’image de variance filtrée comprend - une correction de fluctuations dues au bruit électronique de capteurs d’ondes ultrasonores du système d’imagerie photoacoustique par soustraction à chaque pixel de coordonnée r dans l’image de variance filtrée d’une variance du bruit électronique pour obtenir une image de variance corrigée ; - une détermination de l’image de fluctuations corrigée dont chaque pixel est égal à la racine carrée du pixel correspondant de l’image de variance corrigée. Procédé selon la revendication 2, comprenant en outre une estimation d’une variance du bruit électronique produit par des capteurs d’ondes ultrasonores sur les images, la variance de bruit électronique produit par les capteurs d’ondes ultrasonores sur les images étant estimé en fonction d’une variance du bruit électronique produit dans les signaux photoacoustiques acquis en l’absence d’échantillon corrigée par une quantité de bruit éliminée par le filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières, la quantité de bruit étant estimée sur la base des valeurs singulières correspondant aux composantes de plus basse énergie supprimées par le filtrage spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant pour chaque longueur d’onde considérée, une normalisation (150B) de l’image de fluctuations corrigée par une fonction de la fluence d’impulsions laser du système d’imagerie photoacoustique de sorte à obtenir une image de fluctuations d’absorption représentative des fluctuations d’absorption dues à l’échantillon. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le filtrage (120) spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières comprend une sélection des composantes correspondant aux valeurs singulières de plus haute énergie à supprimer et une suppression de composantes sélectionnées, la sélection étant effectuée en choisissant parmi un ensemble de valeurs d’index un index identifiant la première composante à conserver pour lequel un rapport contraste à bruit est maximal, le rapport contraste à bruit déterminé pour un index étant déterminé pour des images de variance filtrées calculées par filtrage (120) spatio-temporel multispectral par décomposition en valeurs singulières appliquant cet index pour identifier la première composante à conserver puis normalisation par rapport à une fluence moyenne. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le rapport contraste à bruit est déterminé en éliminant le contraste dû à la valeur moyenne des images acquises pour au moins une longueur d’onde . Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 lorsqu’elle dépend de la revendication 4, le procédé comprenant un calcul (160) d’une image du taux de saturation en oxygène à partir d’au moins deux images de fluctuations d’absorption obtenues pour au moins deux longueurs d’onde correspondantes, sur la base d’un modèle exprimant pour chaque pixel de coordonnée r une relation entre une concentration totale en hémoglobine, un taux de saturation en oxygène et la valeur au pixel r de l’image de fluctuations d’absorption. Dispositif de traitement d’images photoacoustiques comprenant, au moins une mémoire de données comprenant des instructions de code de programme, au moins un processeur de données, le processeur de données étant configurées pour, lors que les instructions de code de programme sont exécutées par le processeur de données, causer l’exécution par le dispositif de traitement d’images photoacoustiques d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. Support de données lisible par ordinateur comprenant des instructions de programme informatique qui, lorsqu’elles sont exécutées par un processeur, causent l’exécution d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7. Programme informatique comprenant des instructions de programme informatique qui, lorsqu’elles sont exécutées par un processeur, causent l’exécution d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.