New laser speckle methods for in vivo blood flow imaging and monitoring
Nouvelles méthodes de speckle laser pour l'imagerie et le suivi du flux sanguin
Résumé
Blood flow and its regulation, as well as hemodynamics in general,
are important for the health of tissues, and hence, the measure-
ment of these quantities has many applications in research and clin-
ical environments. Various optical techniques are attractive for the
measurement of blood flow since they are often non- or minimally-
invasive, continuous and are relatively inexpensive. During my PhD
I have contributed to the monitoring of blood flow in experimental
animal models with the construction of a multimodal device, based
on laser speckle flowmetry and optical intrinsic signals, capable of
measuring superficial microvascular cerebral blood flow, blood oxy-
genation and blood volume for translational research. This device
was applied in animal models of ischemic stroke and is flexible to
be modified and used for other purposes. In doing so, I have devel-
oped new experimental methods and image processing protocols
that allowed us to perform longitudinal studies where the animal
can be removed from the device several times. Furthermore, this
device has been used as a tool in a multi-disciplinary study to under-
stand the role of the Mannose-binding lectin protein in reperfusion
injury after an ischemic stroke in animal models. This, then led to
the main contribution of this work which is the development of the
speckle contrast optical spectroscopy and tomography, a new non-
invasive, optical technique for deep blood flow measurement that
paves the way for deeper and three dimensional imaging of blood
flow. This new method was first developed from a theoretical per-
spective, then it was validated in tissue simulating phantoms and
demonstrated to be feasible in measurements on the human arm
muscle. Overall, these contributions will allow the development of
cost-effective, non-invasive tomographic methods for the measure-
ment of blood flow even in humans.
Le débit sanguin et sa régulation, ainsi que l’hémodynamique en
général, sont des paramètres importants indicateurs de la santé
des tissus. Par conséquent, la mesure de ces paramètres a de nom-
breuses applications dans les domaines de la recherche fondamen-
tale et clinique. Certaines techniques optiques constituent un moyen
intéressant pour la mesure du débit sanguin, car en général elles
sont non ou peu invasives, utilisent des systèmes d’illumination con-
tinus (CW, continuous wave) et sont donc relativement abordables.
Pendant ma thèse, j’ai contribué au développement de techniques
de suivi de la circulation sanguine dans des modèles animaux avec
la construction d’un dispositif multimodal basé sur la fluxmétrie par
granularité laser et sur l’imagerie des signaux optiques intrinsèques,
capable de mesurer le débit sanguin microvasculaire au niveau su-
perficiel du cerveau, ainsi que l’oxygénation du sang et le volume de
sang. Ce dispositif a été testé sur des modèles animaux d’accident
vasculaire cérébral, mais est adaptable et peut être modifié et utilisé
à d’autres fins. En parallèle, j’ai mis au point des nouvelles méth-
odes expérimentales et des protocoles de traitement d’images qui
nous ont permis de réaliser des études longitudinales où l’animal
peut être retiré de l’appareil à plusieurs reprises. En outre, ce dis-
positif a été utilisé dans une étude multidisciplinaire pour compren-
dre le rôle de la lectine, une protéine liant le mannose, dans le cas
de lésions de reperfusion après un accident vasculaire cérébral is-
chémique dans des modèles animaux. Cela a conduit à la principale
contribution de ce travail, qui est le développement de l’imagerie de
contraste de speckle spectroscopique et tomographique, une nou-
velle technique optique non invasive pour la mesure du débit san-
guin en profondeur qui ouvre la voie pour l’imagerie profonde et
tridimensionnelle de la circulation sanguine. Cette nouvelle méth-
ode a été d’abord développée d’un point de vue théorique et ensuite
validée dans des modèles de tissus biologiques (fantômes), et j’ai
démontré qu’elle peut être utilisée pour des mesures sur le muscle
du bras humain. Dans l’ensemble, ces contributions permettront le
développement de méthodes tomographiques non invasives renta-
bles pour la mesure du débit sanguin chez l’homme.
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