Nouvelles approches pour l'imagerie du débit sanguin : imagerie speckle et oxymétrie associées à l'analyse par réseau de neuronese // New approaches to blood flow imaging: development of a multimodal imager and associated neural network analysis

La mesure des paramètres de la microcirculation est une approche prometteuse pour le diagnostic précoce et le suivi de nombreuses pathologies, en particulier les atteintes métaboliques au niveau du pied diabétique, qui est un enjeu de santé publique majeur. Il n'existe aujourd'hui pas d'imageur clinique capable d'imager à la fois le débit et l'oxygénation sanguine à la résolution de la microcirculation sur un champ large (10 x 10 cm2). Le projet doctoral vise à répondre à ce besoin en développant un imageur combinant deux modalités d'imagerie optique. La première est l'imagerie du débit sanguin par la technique du contraste laser speckle dynamique, déjà validée au laboratoire mais pour un champ de vue limité, adapté à l'imagerie des modèle animaux précliniques. La seconde est l'imagerie de réflectance multispectrale pour la cartographie de l'oxymétrie des tissus en surface. Dans la première modalité, on illuminera le tissu avec une source cohérente et on analysera les propriétés statistiques des figures de speckle enregistrées par une caméra rapide. Dans la seconde modalité, on utilisera au moins deux sources non cohérentes, à différentes longueurs d'onde puis on enregistrera les photons rétrodiffusés par les tissus. On s'appuiera sur les différences des spectres d'absorption selon le niveau d'oxygénation local pour produire une cartographie de la saturation en oxygène. La combinaison des deux modalités présente plusieurs défis techniques et méthodologiques qui seront examinés et levés au cours de la thèse :
• L'optimisation de l'éclairage et des paramètres d'acquisition en champ large pour permettre une homogénéité une puissance de l'éclairage compatible avec une haute cadence d'acquisition des temps d'exposition très faibles, essentiels en imagerie de contraste speckle.
• L'acquisition rapide et analyse en temps réel des données, en particulier le calcul des cartes de débits et d'oxygénation
Le/la doctorant(e) aura en charge les développements des systèmes optiques, mais également des protocoles de calibration sur phantoms microfluidiques fabriqués au laboratoire et d'analyse des images optiques brutes pour fournir des images des paramètres utiles au clinicien.
Les méthodes d'analyse s'appuieront d'abord sur les approches 'gold standard' basées sur des algorithmes de régression non-linéaire déjà établis. Pour l'imagerie speckle, il s'agit d'extraire les paramètres d'intérêt par régression non linéaire sur un modèle théorique du régime de diffusion. Pour l'imagerie de réflectance, il faut résoudre un système d'équations basées sur la loi de Beer Lambert modifiée prenant en compte le parcours différentiel des photons selon leurs longueur d'onde. Ces méthodes seront comparées en termes de performances avec une approche innovante basée sur l'analyse par réseau de neurones convolutifs. L'entrainement supervisé et la validation de ce réseau nécessite d'obtenir des images sur des canaux micro fluidiques dans des conditions maitrisées en termes de débit et d'oxygénation.

Le projet doctoral s'inscrit dans le projet collaboratif MESI-Circ qui regroupe des membres du groupe biophotonique du Laboratoire Charles Fabry, des collaborateurs de l'Université Chang Gung (Taiwan) experts dans le développement de méthodes numériques pour l'analyse de données biomédicales et le professeur Fabrizio Andreeli (Service de Diabétologie AP-HP La Pitié Salpêtrière).
Le projet doctoral permettra au doctorant de développer des compétences et une expériences pluridisciplinaires avec des aspects instrumentaux en optique, le développement de phantoms microfluidiques innovants , le développement de méthodes d'analyses de données originales par réseau de neurones combinant 2 modalités d'imagerie. Ce projet permettra ainsi à l'étudiant(e) de développer un profil professionnel attractif dans le domaine de la biophotonique
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The measurement of microcirculation parameters is a promising approach for the early diagnosis and monitoring of numerous pathologies, in particular metabolic damage to the diabetic foot, which is a major public health issue. Today, there is no clinical imager capable of imaging both blood flow and oxygenation at microcirculation resolution over a wide field (10x10 cm2). The doctoral project aims to meet this need by proposing an imager combining two optical imaging modalities. The first is blood flow imaging using the dynamic laser speckle contrast technique, already validated in the laboratory but for a limited field of view, suitable for imaging preclinical animal models. The second is multispectral reflectance imaging for mapping surface tissue oximetry. In the first modality, the tissue is illuminated with a coherent source and the statistical properties of the speckle patterns recorded by a high-speed camera are analyzed. In the second modality, at least two non-coherent sources are used, at different wavelengths, and the photons backscattered by the tissue are recorded. Differences in absorption spectra, depending on local oxygenation levels, are used to produce a map of oxygen saturation. Combining the two modalities presents several technical and methodological challenges, which will be investigated during the thesis:
- Optimization of illumination and wide-field acquisition parameters to enable homogeneity and illumination power compatible with high acquisition rates and very low exposure times, essential in speckle contrast imaging.
- Rapid data acquisition and real-time analysis, in particular calculation of flow and oxygenation maps.
- Methodological developments and calibration for absolute quantitation of the flow
Analysis methods will initially be based on 'gold standard' approaches based on established non-linear regression algorithms. For speckle imaging, the parameters of interest are extracted by non-linear regression on a theoretical model of the diffusion regime. For reflectance imaging, we need to solve a system of equations based on the modified Beer Lambert law, considering the differential path of photons according to their wavelength. These methods will be compared in terms of performance with an innovative approach based on convolutional neural network analysis. Supervised training and validation of this network requires images to be obtained on micro-fluidic channels under controlled conditions of flow and oxygenation.
The PhD project is part of the MESI-Circ collaborative project, which brings together members of the Charles Fabry Laboratory's biophotonics group, collaborators from Chang Gung University (Taiwan) with expertise in the development of numerical methods for biomedical data analysis, and Professor Fabrizio Andreeli (Diabetology Department AP-HP La Pitié Salpêtrière).

The PhD project will enable the student to develop multidisciplinary skills and experience, with instrumental aspects in optics, the development of innovative microfluidic phantoms, and the development of original data analysis methods using neural networks combining 2 imaging modalities. Altogether this will help the student build an attractive professional profile in the field of biophotonics.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Le candidat au doctorat a une formation en physique ou en ingénierie et obtiendra son master en 2025. Il/elle est fortement intéressé(e) par les domaines de l'instrumentation, des méthodologies d'imagerie et de l'analyse de données dans un contexte interdisciplinaire, au sein d'un projet collaboratif. Des compétences en optique expérimentale, en Python, Micromanager, ImageJ et des interactions antérieures avec des biologistes et des cliniciens seraient un plus mais ne sont pas un prérequis. Nous recherchons un étudiant motivé, engagé et prêt à relever les défis techniques et méthodologiques de ce projet interdisciplinaire. Une bonne connaissance du français ou de l'anglais est requise. Il est absolument nécessaire que le candidat prenne contact avec le directeur de thèse
The PhD candidate has a background in physics or engineering and will earn his/her master's degree in 2025. She/he is strongly interested in the fields of instrumentation, imaging methodologies and data analysis in a cross disciplinary context, within a collaborative project. Skills in experimental optics, Python and previous interactions with biologists and clinicians would be a plus but are not a prerequisite. We are looking for a motivated , committed student that is ready to tackle the technical and methodlogical challenges of this interdisciplinary project A good knowledge of french or english is required. It is absolutely required that the candidate get in touch with the supervisor