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La surexposition aux rayonnements ionisants est actuellement une préoccupation croissante des cliniciens. Lors d'une exposition externe, la peau est le premier tissu lésé. Or, il n'existe pas d'outil fiable qui permette de diagnostiquer l'atteinte tissulaire. L'objectif de ce travail est donc de montrer la possibilité d'utiliser une méthode non invasive pour l'aide in vivo au diagnostic et au pronostic du syndrome cutané d'irradiation aigüe. La première partie de ce travail concerne le choix de la méthode d'investigation. L'interaction entre une lumière cohérente et un milieu diffusant engendre un phénomène d'interférence appelé speckle. Une analyse fréquentielle classique sur le champ de speckle est complétée par une approche stochastique pour en extraire des paramètres caractérisant les figures de speckle. Dans la deuxième partie le protocole expérimental a été testé afin de mieux comprendre le comportement des paramètres en fonciton de quelques propriétés physiques de milieux diffusants synthétiques. Cette étude a révélé que certains des paramètres du speckle étaient plus influencés par les gros diffuseurs (Mie) alors que d'autres l'étaient par les plus petits (Rayleigh). La troisième partie concerne l'application de cette méthode in vivo au syndrome cutané d'irradiation aigüe chez le porc. L'analyse des résultats acquis lors du suivi de plusieurs animaux montre la possibilité de discriminer les zones irradiées des zones saines plusieurs semaines avant l'apparition des premiers signes cliniques. Enfin, pour comprendre les résultats obtenus sur la brûlure radiologique, nous avons confronté l'ensemble des résultats physiques et ceux obtenus par les analyses histologiques.

Overexposure to ionizing radiation is now a growing concern of clinicians. In case of external exposure, the skin is the first tissue exposed. However, there are no tools that can diagnose pathological tissue. The objective of this work is to demonstrate the possibility of using a non-invasive method for in vivo diagnosis and prognosis of acute cutaneous radiation syndrome. The first part of this work concerns the choice of the investigation method. Interaction of coherent light and scattering medium creates a phenomenon called speckle. A classical frequential analysis on the spekle field is supplemented by a stochastic approach to extract parameters characterizing speckle patterns. In the second part, the experimental setup has been tested in order to understand the parameters behavior in function of some physical properties of synthetic scattering media. The study revealed that some of the speckle parameters were more influenced by big scatterers (Mie) while others were by the smallest (Rayleigh). The third part concerns the in vivo application of this method on acute cutaneous radiation syndrome in pigs. Analysis of the results gained during the monitoring of several animals showeb the ability to discriminate between irradiated and healthy zones several weeks before apparition of firsts clinical signs. Finally, in order to understand the…

Advisors/Committee Members: Clairac, Bernard (thesis director).

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L'imagerie optique des tissus biologiques est un défi du fait de la diffusion de la lumière. Pour sonder les propriétés optiques à quelques cm de profondeur, on peut coupler l'information optique des ultrasons. De cette idée sont nées les imageries acousto-optique et photoacoustique. La première repose sur la modulation de la lumière par des ultrasons balistiques. La seconde se base sur la génération d'ultrasons lors de l'absorption de lumière par un objet. Que ce soit pour l'une ou pour l'autre, l'enregistrement du signal nécessite la mesure de très faibles modulations de phase dans une figure de speckle. L'holographie dynamique est une bonne solution. En effet, les techniques interférométriques sont suffisamment sensibles pour mesurer de telles modulations et l'holographie permet de corriger la nature speckle de la lumière. Dans cette thèse nous démontrons la faisabilité de fabriquer un système d'holographie adaptative basé sur un milieu laser (Nd :YVO4). Un des grands avantages de ce type de milieu est le temps de réponse. On montrera que le rafraîchissement d'un hologramme dans notre cristal peut se faire en moins de 100 ?s, bien inférieur au temps de décorrélation du speckle (? 1ms) qui pourrait grandement perturber les techniques de détection plus lentes lors d'expériences in vivo. Trois montages sont présentés ici, le premier pour la détection acousto-optique par conjugaison de phase, le deuxième pour la détection acousto-optique par adaptation de front d'onde et enfin le troisième pour détection photoacoustique. Dans les trois cas on mesure un temps de réponse entre 15 ?s et 50 ?s, et on utilise le montage imager un échantillon.

Strong scattering properties of biological media make their optical imaging in depth a challenge. A solution to probe the local optical properties is to couple the optical information with ultrasound. Two imaging techniques were born from this idea, acousto-optic imaging and photoacoustic imaging. The first technique is based on the local modulation of light by ballistic ultrasound. The latter relies on the emission of ultrasound following the absorption of light by an object. Whether it is acousto-optic imaging or photoacoustic imaging, the recording of the the signal requires a detection system sensitive to weak phase modulation. In addition, the detection system must be compatible with a speckle pattern. Dynamic holography is a good solution. Indeed, as it is based on interferometry, it is very sensitive to small phase variations and holography can be used to correct the speckle nature of light. In this manuscript, we show the use of an holographic detection system based on a laser medium (Nd:YVO4). One of the main advantage of this type of material is the very fast response time. It will be highlighted that the recording of a hologram inside our crystal can be done in less than 100 μs, much faster than the speckle decorrelation time (≈ 1ms), which is one of the major obstacle towards in vivo imaging. Three optical setups will be presented in this manuscript. The first one is a…

Advisors/Committee Members: Ramaz, François (thesis director).

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Les principales techniques de microscopie de fluorescence sont fondamentalement limitées pour imager en profondeur par la diffusion de la lumière qui atténue exponentiellement la quantité de photons balistiques utilisés pour imager avec la profondeur. Les techniques de microscopie non linéaire permettent néanmoins de dépasser le millimètre dans le meilleur des cas, in vivo. Elles restent fondamentalement limitée par deux effets : par la réduction de la fluorescence émise au focus à cause de la décroissance exponentielle des photons balistiques mais aussi par l’augmentation de la fluorescence hors focus. Cependant, il a été démontré que l’utilisation, en amont du milieu, de modulateurs spatiaux de lumière associée à des techniques de façonnage de front d’onde permet de compenser partiellement la diffusion de la lumière en refocalisant les photons diffusés. Néanmoins, mettre en pratique la correction de la diffusion pour l’imagerie in vivo nécessite l’utilisation conjointe de modulateurs de lumière rapides, de détecteurs rapides et d’une électronique rapide afin de corriger le front d’onde dans le temps de stabilité du milieu biologique. Nous avons donc développé, au cours de cette thèse, deux systèmes de façonnage du front d’onde rapides ; l’un basé sur une technologie MEMS et l’autre sur des déflecteurs acousto-optiques couplés à un laser à bas taux de répétition. Nous avons étudié les performances (gain de focalisation, vitesse) de ces deux systèmes pour focaliser à travers des milieux diffusants dynamiques. Nous avons démontré qu’à travers des milieux présentant des séquences de diffusion avec des stabilités très variées le focus obtenu est plus stable qu’attendu. Dans un deuxième temps, nous avons couplé un système de façonnage du front d’onde à un microscope non linéaire pour compenser en épi-détection la diffusion et donc améliorer les images obtenues en profondeur. Cette étude ouvre une voie originale pour l’imagerie biphotonique en très grande profondeur.

Fluorescence microscopy cannot image very deep due to multiple light scattering which decreases exponentially the amount of ballistic photons used for image recovery. In the best case, non-linear microscopy can image around one millimeter in depth in vivo. It remains fundamentally limited by two effects: by the reduction of the fluorescence emitted at the focus because of the exponential decay of the ballistic photons, and by the increase of out of focus fluorescence. Recently, wavefront shaping techniques combined with spatial light modulators have enabled to partially compensate scattering and therefore focus scattered photons inside or through a complex media. Yet, applying these techniques to in vivo imaging requires the use of fast spatial light modulators, fast detectors, and fast electronics able to compensate for the short stability time of biological tissues. In this thesis, we have developed two fast wavefront shaping systems; one based on a MEMS technology and the other on acousto-optical deflectors time locked on the output laser pulses of a…

Advisors/Committee Members: Gigan, Sylvain (thesis director), Bourdieu, Laurent (thesis director).

▼ Abstract: Filamentation, a non-linear phenomenon resulting from the passage of high-power pulses in an optical medium, is responsible for therapeutic damage similar to that produced by radiotherapy for the treatment of cancer cells. Diffusion, ubiquitous in biological tissues, competes with focusing and mono-filament formation. However, it is possible to compensate for the effects of light scattering via active wavefront modulation techniques of femtosecond laser pulses. In this Master’s thesis, we present the results of the application of an active wavefront modulation technique, based on the use of a spatial light modulator (SLM) type device, in the case of diffusing medium. Different algorithms for controlling the incident phase have been tested and the impact of these on the filamentation phenomenon is analyzed in details. The main results show that this approach makes it possible to optimize a control light signal, consisting of the fluorescence of a dye (coumarin 440) added to the aqueous test medium, relative to the reference signal obtained without modification of the wavefront of the incident beam. The results also show that the optimization procedure effectively reduced the speckle nature of the wave at the output of the scattering medium, giving rise to the generation of a single mono filament. For all the diffusing media tested, a laser mono filament was also successfully optimized in a small volume of the target medium. The Partition algorithm offers a faster convergence to an optimized solution and allows a signal increase up to 5 times higher compared to the non-optimized situation in highly scattering medium (ms = 3.71 cm¯1). As for the genetic algorithm, its effectiveness has been demonstrated in a weakly diffusing medium (ms = 1.24 cm¯1), whereas it has not managed to find a phase solution leading to optimized profile in more diffusing environments. Advisors/Committee Members: Houde, Daniel (advisor), Morris, Denis (advisor).

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Les mesures utilisées actuellement en chambres anéchoïque, pour la caractérisation de la surface équivalente radar (SER) sont généralement perturbées, en particulier en basse fréquence lorsque les parois de la chambre génèrent des trajets multiples. En basse fréquence l’épaisseur des matériaux absorbants devient faible devant la longueur d’onde et ceux-ci ne peuvent plus être considère comme parfaitement absorbants. Dans ce cas, le champ total incident sur la cible sous test est ainsi la somme du champ incident direct et des champs réfléchis par les parois. Basé sur le principe de retournement temporel qui permet de focaliser spatialement et temporellement une onde électromagnétique, l’objectif de la thèse est de présenter une nouvelle méthode d’imagerie microonde qui profite des degrés de liberté spatio-temporels de la propagation au sein d’un milieu diffusant afin de détecter une cible avec une haute résolution.

The currently used methods for radar cross section (RCS) measurements at low frequencies encounter several disturbing phenomena, such as the multipath propagation caused by reflections from the walls. Descending in frequency, the thickness of absorbent materials becomes small compared with the wavelength and they are no longer perfectly absorbent. Therefore, the total incident field on the target becomes the sum of the incident wave and the reflected waves from the walls of the chamber. Inspired by time reversal technique which allows spatial and temporal focusing of an electromagnetic wave, the objective of the thesis is to present a novel imaging method in the microwave range which benefits from the spatio-temporal degrees of freedom provided by the transmission through a random medium in order to detect a target with high resolution.

Advisors/Committee Members: Sharaiha, Ala (thesis director), Davy, Matthieu (thesis director).

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Nous nous intéressons, dans cette étude, à la caractérisation d'un défaut en développe une méthode ultrasonore basée sur la diffusion multiple des ondes. Pour cela, nous avons utilisé un béton base polymère endommagé par un essai de flexion en trois points. La technique d’'Interférométrie par Onde de Coda (CWI) prend en compte les ondes issues de la diffusion multiple et qui parcourent de ce fait une distance très grande devant celle séparant la source et du récepteur. Cette technique montre la sensibilité de la coda quand le matériau est soumis en résonance non linéaire où l’ influence des conditions de l’ environnement est considéré comme limité par l’ utilisation d’ un signal différent de référence. Les résultats expérimentaux ont montré que l’ efficacité de la méthode dépend du plan de vibrations considérées. Dans le but d'étudier l’ anisotropie d’ un défaut créé dans un béton base polymère nous avons utilisé les données de l’'Emission Acoustique (EA) récoltées au cours d’ essais acoustiques en Résonance Non Linéaire pour les deux plans. L’ existence d'une différence entre les signaux enregistrés au cours de mesures de l’ EA montrent que nous produisons différents micro-mécanismes dont la présence et / ou l'absence ont un impact important important sur l'interaction entre l'onde ultrasonore et le défaut.

Nonlinear Resonance (NR) and Coda Wave Interferometry (CWI) have proved to be efficient to detect and follow the evolution of micro-cracks within a strongly scattering media (concrete, rocks, etc.). Nevertheless, the localization of the cracks using the same techniques is not straight forward. In order to avoid the conditioning and its subsequent relaxation effect related to NR, CWI is simultaneously applied when concrete samples are vibrating in the linear regime. Based on a comparative study of the coda signals contents (non ballistic part) in the absence and under the weak linear vibration, the localization of the mechanically induced scatterers was possible depending on the scatterers' main direction with respect to the vibration plane. The latter point raises the issue of the generated types of vibration at the scatterers. Therefore, investigations were performed using the Acoustic Emission (AE) technique, which has served to verify that the acoustic activity during the linear vibrations does change depending on the considered experimental configuration. The latter, has also a direct effect on the frequency content of the recorded AE hits showing the potential link existing between the quantitative analysis of AE hits and the generated vibration mechanisms of the existing micro-cracks.

Advisors/Committee Members: El Guerjouma, Rachid (thesis director), Boubenider, Fouad (thesis director), Bentahar, Mourad (thesis director).

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L'imagerie médicale optique est limitée par la perte de résolution spatiale due à la diffusion des tissus biologiques. L'imagerie acousto-optique permet de palier à ce problème car elle utilise à la fois de lumière et des ondes ultrasonores. Par conséquent elle donne accès au contraste optique local en profondeur dans les tissus biologiques avec la résolution submillimétrique des ultrasons. Diverses méthodes interférométriques ont été développées pour détecter le signal acousto-optique, mais elles ne sont pas adaptées à l'imagerie in vivo. Au cours de cette thèse nous avons développé un filtre spectral intrinsèquement robuste à une mise en œuvre in vivo et capable de filtrer le signal de photons marqués. Ce filtre est basé sur le phénomène de creusement spectral, il est réalisé dans un cristal de grenat d'yttrium aluminium dopé au thulium (Tm:YAG) sous champ magnétique. Le manuscrit décrit d'abord la caractérisation du filtre spectral en condition d'imagerie. Ensuite nous présentons le montage expérimental qui a permis d' imager un gel diffusant simulant un tissu biologique. Dans la suite nous avons changé le laser principal et nous l'avons asservi en fréquence dans le but d'augmenter le niveau de maturation de la technologie. Enfin, la dernière partie du manuscrit détaille comment l'expérience a été compactée pour être apportée à un laboratoire pharmaceutique afin de lancer une campagne d'imagerie in vivo.

Optical imaging for Medicine is limited by the spatial resolution loss due to light scattering in turbid media. A hybrid imaging method called ultrasound optical tomography can overcome this botteneck. Indeed the simultaneous use of light and ultrasound gives access to optical contrast in depth within scattering medium with the ultrasounds resolution. Several interferometric methods have been developed in order to detect an acousto-optic signal. However, none of them is adapted to in vivo imaging. For this reason a filter created with spectral hole burning is of special interest. This thesis presents the development of an ultra-narrow filter based on spectral hole burning in a thulium doped yttrium aluminum garnet crystal (Tm:YAG) under magnetic field. The first part of the manuscript describes the characterization of the filter in the imaging setup. Next, the actual imaging of a scattering gel is described. The following part presents the change of the main laser and its frequency stabilization for technological maturation. The last part of the manuscript details how the experiment have been compacted to be bring in a pharmacetical laboratory in order to launch in vivo imaging trials.

Advisors/Committee Members: Ramaz, François (thesis director), Louchet-Chauvet, Anne (thesis director).