Imagerie photoacoustique endoscopique de la vascularisation de ménisque in vivo

par Bathilde Riviere

Projet de thèse en Optique et radiofrequences

Sous la direction de Eric Lacot et de Olivier Jacquin.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (laboratoire) depuis le 19-02-2019 .


  • Résumé

    Cette thèse s'intègre dans le projet MenisCare qui rassemble les laboratoires Liphy (Université Grenoble-Alpes) et Creatis (Université Lyon 1), le CIC-IT (Centre d'Investigation Clinique- Innovation Technologique) du CHU Grenoble Alpes et deux PME, Cartimage Medical (La Tronche) et ACS Biotech (Lyon). Ce projet vise à proposer une nouvelle approche de la chirurgie du ménisque du genou, en favorisant la réparation des lésions méniscales plutôt que l'ablation (méniscectomie). Contexte et enjeux scientifiques : L'objectif de cette thèse est de réaliser un système d'imagerie photoacoustique endoscopique permettant de mesurer la densité de vascularisation d'un ménisque in vivo sur animal. En effet, à l'heure actuelle, la littérature montre un taux d'échec de la réparation méniscale entre 5% et 43% [1]. Un des critères majeurs pour l'établissement d'un pronostic de succès de la réparation du ménisque est la présence de capillaires sanguins (micro-vascularisation) dans la zone lésée à suturer. Or cette micro-vascularisation est à l'heure actuelle détectable uniquement par des techniques invasives comme l'immuno-histologie. Il est donc essentiel d'apporter une technique non invasive de mesure qui permette de déterminer, avec un niveau de certitude suffisant, si une suture peut être réalisée avec succès sur un ménisque. C'est dans ce contexte que s'intègre cette thèse. Objectif : Nous proposons de développer un instrument pour détecter in vivo la densité de vascularisation d'un ménisque Pour cela, l'objectif sera de réaliser un système d'imagerie photoacoustique [2] dans les contraintes d'un dispositif médical endoscopique. L'imagerie photoacoustique permet de réaliser des images de contraste optique avec un signal de détection ayant les propriétés de propagation et de diffusion des ondes acoustiques. Son principe repose sur la génération d'une onde acoustique par effet thermoélastique suite à une variation thermique engendrée par absorption optique de l'objet à imager. Cette onde acoustique est ensuite détectée à l'aide d'un transducteur piézoélectrique. L'utilisation d'une longueur d'onde optique centrée sur l'absorption de l'hémoglobine permet alors d'obtenir une image à résolution acoustique (100µm) de la vascularisation avec un très fort contraste. Sur la base d'une sonde échographique intra-articulaire utilisée lors d'opérations sous-arthroscopie, il s'agit donc de développer un imageur photoacoustique endoscopique avec les mêmes contraintes de dimensions. Cet imageur sera testé et calibré sur des fantômes de ménisque. Il s'agit de circuits microfluidiques réalisés en PDMS qui doivent permettre de simuler le réseau micro vasculaire proche de celui du ménisque de façon être le plus réaliste possible (taille de canaux, densité, diffusion optique). En parallèle de ce travail, des travaux d'immuno-histologie devront être réalisés dans le cadre de la collaboration MenisCare pour mieux comprendre le réseau vasculaire humain du ménisque et trouver le modèle animal le plus approprié. A partir des échantillons d'intérêt (humain et animaux), les paramètres optiques de l'imageur pourront être optimisés de façon à ne pas endommager le tissu méniscal. L'objectif final est de pouvoir réaliser avec cet imageur une mesure sur animal in vivo en chirurgie ouverte.

  • Titre traduit

    Endoscopic photoacoustic imaging of meniscus vasculature in vivo


  • Résumé

    This phd is part of the MenisCare project which gather the Interdisciplinary Laboratory of Physics (Liphy - Université Grenoble-Alpes) and CREATIS Medical imaging center (Lyon II university), the Clinical Investigation Center - Technological Innovation (CIC-IT) of Grenoble-alpes CHU and ACS Biotech a SME from Lyon. This project purpose is to propose a new approach for knee meniscus surgery, favoring the repair of meniscal lesions rather than ablation (meniscectomy). Context and scientific issues: The objective of this phd is to realize an endoscopic photoacoustic imaging system to measure the vascularization density of a meniscus in vivo on animals. Indeed, at present, the literature shows a failure rate of meniscal repair between 5% and 43% [1]. One of the major criteria for establishing a successful prognosis for meniscus repair is the presence of blood capillaries (micro-vascularization) in the injured area to be sutured. However, this micro-vascularization is currently detectable only by invasive techniques such as immunohistology. It is therefore essential to provide a non-invasive technique of measurement which makes it possible to determine, with a sufficient level of certainty, whether a suture can be successfully performed on a meniscus. It is in this context that this phd is integrated. Objective: We propose to develop a probe to detect in vivo the vascularization density of a meniscus. For this, the objective will be to realize a photoacoustic imaging system [2] in the constraints of an endoscopic medical device. Photoacoustic imaging makes it possible to produce optical contrast images with a detection signal having the propagation and diffusion properties of the acoustic waves. Its principle is based on the generation of an acoustic wave by thermoelastic effect following a thermal variation generated by optical absorption of the object to be imaged. This acoustic wave is then detected using a piezoelectric transducer. The use of an optical wavelength centered on the absorption of hemoglobin then makes it possible to obtain an image with acoustic resolution (100 μm) of the vascularization with a very high contrast. Since an intra-articular ultrasound probe is used during sub-arthroscopy operations, it is therefore necessary to develop an endoscopic photoacoustic imager with the same dimensional constraints. This imager will be tested and calibrated on meniscus ghosts. These are microfluidic circuits made of PDMS that should simulate approximately the microvascular network of the meniscus to be as realistic as possible (channel size, density, optical diffusion). In parallel, immuno-histology work will have to be carried out as part of the MenisCare collaboration to better understand the human vascular network of the meniscus and to find the most appropriate animal model. From the samples of interest (human and animal), the optical parameters of the imager can be optimized so as not to damage the meniscal tissue. The final objective is to be able to use this imager on animal in vivo in open surgery.