Terahertz imaging and spectroscopy of biomedical tissues : application to breast cancer detection

par Amel Al-Ibadi

Thèse de doctorat en Lasers, Matière et Nanosciences

Sous la direction de Patrick Mounaix.

Le président du jury était Jean-Louis Coutaz.

Le jury était composé de Thomas Zimmer, Gaëtan Mac Grogan.

Les rapporteurs étaient Dominique Coquillat, Guilhem Gallot.

  • Titre traduit

    Spectro Imagerie terahertz de tissues biologiques : application à la détection de cancers du sein


  • Résumé

    Les travaux de cette thèse consistent à développer des outils de spectroscopie et d'imagerie térahertz pour des applications médicales. L'objectif est de déterminer le potentiel et l'efficacité de la spectroscopie térahertz et de l'imagerie dans la détection des régions cancéreuses et la distinction entre les tissus malades et sains pour le cancer du sein chez les femmes. La spectroscopie térahertz est une technique sans contact, non ionisante pour obtenir des résultats rapides, comparée à l'analyse clinique standard. Les études expérimentales sont divisées en deux sections principales :Section I :Cette partie se concentre sur la spectroscopie en utilisant un rayonnement THz. La maîtrise de cette technique permet de travailler en mode réflexion ou transmission avec des fréquences dans la bande passante térahertz. Plusieurs types de matériaux ont été utilisés comme fantômes pour la calibration de l'expérience : des solides (silice, téflon, saphir et verre), des liquides (méthanol, eau et alcool) et des tissus biologiques (cancer, fibres et gras), ainsi qu'un mélange (eau-méthanol). Les indices de réfraction, les coefficients d'absorption et les fonctions diélectriques complexes ont d'abord été mesurés et extraits puis fittés avec un modèle de Debye. Les tissus biologiques sont apparus hétérogènes en épaisseur et avec des surfaces qui peuvent être irrégulières, ce qui rend difficile l'extraction d'informations précises, en raison d’artefacts induits. Les signaux ont été traités en suivant un protocole rigoureux : Les mesures sont effectuées sur un support parfaitement caractérisé en transmission pour réduire les incertitudes sur la phase lors des mesures en réflexion. Les signaux THz réfléchis aux interfaces entre l'air / échantillon, air / fenêtre, eau / fenêtre et fenêtre / fenêtre sont utilisés comme signal de base pour estimer et améliorer le rapport signal-bruit dans les mesures de spectroscopie. L'avantage de cette méthode est sa précision, sa simplicité et sa facilité d'application pour un système de réflexion avec un angle d'incidence. La mesure des indices de réfraction et des coefficients d'absorption des échantillons avec des tissus tumoraux et sains a révélé que les régions tumorales présentent des différences significatives par rapport au tissu normal lors de l’interaction tissu-rayonnement térahertz.Section II :La deuxième partie de cette étude porte sur l'imagerie THz pour la détection du cancer du sein, à la fois dans les modes de transmission et de réflexion. Plusieurs types d'échantillons ont été étudiés. Les coupes utilisées comprenaient des tissus inclus en paraffine, des tissus frais sortis du bloc opératoire, fixés au formol et des blocs. Pour cela le spectromètre a été déplacé à l'hôpital. Plus de 50 échantillons ont été ainsi inspectés. TroisIVméthodes de traitement d'image ont été utilisées : le découpage, l'automatisation et le tri d'images manuel. De plus, les images obtenues dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ont été analysées pour décrire et identifier les différentes régions du tissu mammaire étudiées et déterminer le contraste entre le tissu sain et le tissu malade. La quantité d'eau différentielle présente dans les tissus malades peut être l'une des origines de contraste. En effet, le tissu cancéreux possède une teneur en eau plus élevée que celle des fibres ou des tissus adipeux normaux, ce qui permet de discriminer les régions cancéreuses, fibreuses et graisseuses sur les images THz.


  • Résumé

    The work of this thesis consists in developing terahertz spectroscopy and imaging tools for medical applications. The goal is to determine the potential and effectiveness of terahertz spectroscopy and imaging in the detection of cancer regions and the distinction between diseased and healthy tissue for breast cancer in women. Terahertz spectroimaging is a non-contact, non-ionizing technique for rapid results compared to standard clinical analysis. Experimental studies are divided into two main sections:Section IThis part focuses on THz spectroscopy using THz radiation. The mastery of this technique makes it possible to work in reflection or transmission mode with frequencies in the terahertz bandwidth. Several types of materials have been used as ghosts for the calibration of the experiment: solids (silica, teflon, sapphire and glass), liquids (methanol, water and alcohol) and biological tissues (cancer, fiber and fat), as well as a mixture (water-methanol). The refractive indices, the absorption coefficients and the complex dielectric functions were first measured and extracted and then fitted with a Debye model. Biological tissues have appeared heterogeneous in thickness and with surfaces that may be irregular, making it difficult to extract accurate information because of induced artifacts. The signals have been processed according to a rigorous protocol: The measurements are carried out on a perfectly characterised substratet in transmission to reduce the uncertainties on the phase during the measurements in reflection. The THz signals reflected at the interfaces between the air / sample, air / window, water / window and window / window are used as a basic signal to estimate and improve the signal-to-noise ratio in the spectroscopy measurements. The advantage of this method is its accuracy, simplicity and ease of application for a reflection system with an angle of incidence. Measurement of refractive indices and absorption coefficients of samples with tumor and healthy tissue revealed that the tumor regions showed significant differences from normal tissue during terahertz tissue-radiation interaction.Section II:The second part of this study focuses on THz imaging for breast cancer detection in both transmission and reflection modes. Several types of samples have been studied. Sections used included paraffin-embedded tissue, fresh tissues removed from the OR, formalin-fixed, and blocks. For this the spectrometer has been moved to the hospital. More than 50 samples were inspected. Three image processing methods were used: cutting, automation and manual image sorting. In addition, time domain and frequency domain images were analyzed to describe and identify the different regions of mammary tissue studied and to determine the contrast between healthy tissue and diseased tissue. The amount of differential water present in diseased tissue can be one of the sources of contrast. In fact, the cancerous tissue has a higher water content than that of normal fibers or adipose tissue, which makes it possible to discriminate the cancerous, fibrous and fatty regions on the THz images.


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