La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

1 Mesure des propriétés optiques de milieux diffusants stratifiés par lanalyse de la rétrodiffusion dimpulsions infrarouges subpicosecondes Equipe OPTIMA.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "1 Mesure des propriétés optiques de milieux diffusants stratifiés par lanalyse de la rétrodiffusion dimpulsions infrarouges subpicosecondes Equipe OPTIMA."— Transcription de la présentation:

1 1 Mesure des propriétés optiques de milieux diffusants stratifiés par lanalyse de la rétrodiffusion dimpulsions infrarouges subpicosecondes Equipe OPTIMA (L.P.L, Université Paris 13, CNRS, UMR 7538) E. Tinet, S. Avrillier, J.M. Tualle, D. Ettori, P. Berthaud, H.L Nghien, C. Schäfauer, J. Prat

2 2 Présentation du cadre de l'étude

3 3 Particularités des milieux biologiques Fortement diffusants dans le spectre visible. Faible absorption dans la fenêtre thérapeutique (située dans l infrarouge proche) Diagnostic optique AVANTAGES: Méthodes non invasives (Nature non ionisante de la lumière) Possibilité dun suivi fonctionnel DIFFICULTES: Le caractère diffusant perturbe la propagation de la lumière

4 4 Mesure en réflectanceou en transmittance Adéquate pour l étude d organes épais tels que le muscle le cerveau

5 5 Coefficient d'absorption µ a (cm -1 ) µ' s = µ s (1-g) Coefficients optiques à l échelle macroscopique Coefficient de diffusion µ s (cm -1 ) Coefficient d'anisotropie g = Indice de réfraction n

6 6 Oxymétrie Hb et HbO 2 sont les principaux absorbants des tissus dans l'IR proche doivent être mesuréset

7 7 A l'échelle Macroscopique, les tissus humains ont souvent une structure en couche : Peau / Graisse /Muscle Peau / Os / Cerveau Modélisation par une succession de 3 couches homogènes

8 8 Méthode utilisée : mesures de Réflectance Avec une impulsion et à une distance donnée R(t) Information plus riche R(r,t) r t Avec une source continue R(r)

9 9 r t

10 10 Problème posé : Déterminer les caractéristiques optiques (µ a et µ' s ) d'un milieu diffusant à partir de sa nappe de réflectance.

11 11 Procédure doptimisation Nouveau coefficients : µ a11, µ s11, µ a21, µ s21, d 1 Calcul de 2 Calcul analytique du problème direct R fit (r,t) µ a10, µ s10, µ a20, µ s20,d 0 Nappe expérimentale R (r,t) obtenue sur le milieu à caractériser Procédure d'inversion Calcul analytique du problème direct R fit (r,t) µ a11, µ s11, µ a21, µ s21,d 1 Procédure doptimisation Nouveau coefficients : µ a12, µ s12, µ a22, µ s22, d 2

12 12 Plan général de lexposé Modèles analytiques pour le calcul du problème direct Tests de la procédure dinversion à partir de simulations de Monte Carlo Mise en œuvre expérimentale et résultats Conclusions et perspectives

13 13 Plan général de lexposé Modèles analytiques pour le calcul du problème direct Tests de la procédure dinversion à partir de simulations de Monte Carlo Mise en œuvre expérimentale et résultats Conclusions et perspectives

14 14 Equation du transfert radiatif Intensité spécifique:

15 15 Equation du transfert radiatif terme de gain terme de perte __ E.T.R.

16 16 =1/ s Simulations de Monte Carlo Méthode statistique Convergence lente Résultat exact Référence Solution Numérique : =1/ s E.T.R. =1/ s

17 17 Soient: Constante de diffusion Intensité diffuse moyenne 1/ s 1/ s ' Approximation de la diffusion

18 18 Approximation de la diffusion Approximation de la diffusion Distribution quasi-isotrope de lumière dans le milieu avec Conditions aux interfaces

19 19 Conditions aux interfaces Surface libre milieu 1 Air z z=-z b

20 20 Conditions aux interfaces Interface entre 2 milieux diffusants milieu 2 milieu 1

21 21 Approximation de la diffusion en milieu multicouche SourcesA l'infiniInterface avec l'air l1l1 Equation de la diffusionInterface en z = l n 0 -Z b Z l2l2 Milieu 1 Milieu 2 Milieu N source Z 0 = 1 / µ s1

22 22 Résolution dans lespace de Fourier Zone 0 Zone 1 Sources A l'infiniInterface avec l'air l1l1 0 -Z b Z l2l2 source Z0Z0 Equation de la diffusionInterface en z = l n Milieu 1 Milieu 2 Milieu N

23 23 Résolution dans lespace de Fourier

24 24 Cas du milieu bicouche : Solution dans l'espace de Fourier Pour la transformée inverse sur t, on utilisera une FFT classique

25 25 Test de notre modèle multicouche (N=3) (comparaison avec une simulation de M.C.) t 1 Peau Graisse Muscle e 1 =2mm e 2 =3, 6, 9mm 2cm e 2 =3mm e 2 =6mm e 2 =9mm

26 26 La méthode des images Cas du problème d'un milieu semi infini avec une interface libre Surface libre Point Source image ( ) (-z+2Z b -Z) (t) Point Source réel ( ) (z+Z) (t) z 2(Z+Z b ) ZbZb Milieu diffusant: µ a, D Point Source ( ) (z+Z) (t) Z 0 z Milieu diffusant: µ a, D air ZbZb

27 27 Milieu 1 Milieu 2 Milieu 1 SRSR Milieu 2 STST La méthode des images Cas de l'interface entre deux milieux diffusants semi-infinis

28 28 air Milieu 1 Milieu 2 La méthode des images Cas du milieu bicouche

29 29 Comparaison avec des simulations de Monte Carlo d Air µ a1 = cm -1 µ s1 = 15 cm -1 µ a1 = 0.15 cm -1 µ s1 = 10 cm -1 d = 4mm et = 3cm d = 8mm et = 3cm

30 30 Comparaison des temps de calcul des différentes méthodes calculant le problème direct Athlon 900Mhz Simulation de Monte Carlo statistique sur un grand nombre de photons 15 jours pour une nappe Modèle de résolution dans l'espace de Fourier Calcul de transformée de Fourier : de 2 à 15 sec par profils temporels en fonction de la position spatiale considérée 30mn pour une nappe complète Méthode des images 4 sec pour une nappe

31 31 Plan général de lexposé Modèles analytiques pour le calcul du problème direct Tests de la procédure dinversion à partir de simulations de Monte Carlo Mise en œuvre expérimentale et résultats Conclusions et perspectives

32 32 d Air µ a1 = cm -1 µ s1 = 15 cm -1 µ a1 = 0.15 cm -1 µ s1 = 10 cm -1 n=1.33 n=1.406 Résultats obtenus à partir d'expériences numériques (simulations de Monte Carlo)

33 33 Coefficients de la couche profonde Exactitude des résultats ~2% Résultats obtenus à partir d'expériences numériques (simulations de Monte Carlo) (utilisation de la nappe)

34 34 Coefficients de la couche superficielle ~8% pour µ a1 ~4% pour µ s1 Résultats obtenus à partir d'expériences numériques (simulations de Monte Carlo) (utilisation de la nappe)

35 35 Epaisseur de la couche superficielle Exactitude ~4% Résultats obtenus à partir d'expériences numériques (simulations de Monte Carlo) (utilisation de la nappe)

36 36 Pour une telle convergence, il faut connaître l origine temporelle l origine spatiale Observons par exemple l influence d une variation de l origine spatiale sur la convergence des résultats des paramètres de la couche profonde Précision d au moins 500µm Origine spatiale variable Résultats obtenus à partir d'expériences numériques (simulations de Monte Carlo) (utilisation de la nappe)

37 37 Résultats obtenus à partir d'expériences numériques (simulations de Monte Carlo) (utilisation de 3 profils :1,2 et 3cm)

38 38 Possibilité a priori d obtenir de bons résultats avec une sonde comportant 3 fibres Avantages : Facile à manipuler Connaissance exacte de l origine spatiale 8% 5% 13% 2% 4% µ s2 µ a2 d 3 profilsNappe Résultats obtenus à partir d'expériences numériques (simulations de Monte Carlo) (Conclusions)

39 39 Plan général de lexposé Modèles analytiques pour le calcul du problème direct Tests de la procédure dinversion à partir de Simulations de Monte Carlo Mise en œuvre expérimentale et résultats Présentation de lexpérience Fabrication des échantillons Techniques expérimentales Résultats expérimentaux Conclusions et perspectives

40 40 Laser Ti Sa Photodiode rapide Sonde Coupleur Echantillon Elévateur Caméra à balayage de fente Objectif Support de fibre Ligne à retard Montage expérimental

41 41 Laser Ti-Sa (Vitesse Coherent) =800nm, P~200mw largeur de pulse~100fs cadence 80 Mhz Caractéristiques du matériel utilisé : Caméra à balayage de fente (Hamamatsu) synchronisée sur 80Mhz (photodiode rapide et ligne à retard) modes balayage et focus objectif type "macro" NIKON Fibre émettrice Monomode à 800 nm (S.E.D.I) Ø coeur 4.9µm, n coeur 1.54, n gaine 1.53 coupleur muni de vis nanométriques objectif de microscope 20 Fibres réceptrices multimodes SCHOTT à saut d'indices O.N :0.22, Ø coeur 220µm, Ø gaine 240µm dispersion max ~30ps

42 42 Echantillons synthétisés (Phantom optique) Matrice transparente Notre choix de composants : Matrice transparente Silicone à 2 composants Particules diffusantes Poudre Al 2 O 3 Absorbant Encre de chine + éthanol

43 43 Techniques expérimentales acquisition de nappes de réflectance Adaptation de l intensité du signal à la dynamique de la caméra Prise de l'origine temporelle Prise de shading fibre 3 cm fibre 2 cm fibre 1 cm objectif 1 cm Support de fibre densité optique

44 44 123

45 45 Adaptation de l intensité du signal à la dynamique de la caméra Prise de l'origine temporelle Prise de shading Techniques expérimentales acquisition de nappes de réflectance préalable à chaque acquisition miroir sonde

46 46 Non homogénéité de la réponse de la caméra Adaptation de l intensité du signal à la dynamique de la caméra Prise de l'origine temporelle Prise de shading Techniques expérimentales acquisition de nappes de réflectance prise d'une image de "shading" Cette image est réalisée à l'aide d'une sphère intégrante (éclairage uniforme de la fente) et dans les mêmes conditions expérimentales que les nappes de réflectance. On réalise alors numériquement une division pixel par pixel des nappes par l'image de shading

47 47 solution de lait diluée phantom pur Déroulement des mesures expérimentales Milieu semi infini (phantom seul ou solution de lait dilué seule) Milieu bicouche à épaisseur variable (3,4,....,12mm)

48 48 Résultats d'inversion sur un milieu bicouche Analyse des nappes de réflectance Inversion sur 5 paramètres (tous) Inversion sur 4 paramètres (µ s et µ a des 2 couches) Inversion sur 3 paramètres (µ s et µ a couche profonde + épaisseur) Inversion sur 2 paramètres (µ s et µ a couche profonde) Epaisseur expérimentale (mm)

49 49 Résultats d'inversion sur un milieu bicouche Analyse des nappes de réflectance Inversion sur 5 paramètres (tous) Inversion sur 4 paramètres (µ s et µ a des 2 couches) Inversion sur 3 paramètres (µ s et µ a couche profonde + épaisseur) Inversion sur 2 paramètres (µ s et µ a couche profonde) Coefficients de la couche profonde

50 50 Résultats d'inversion sur un milieu bicouche Analyse des nappes de réflectance Inversion sur 5 paramètres (tous) Inversion sur 4 paramètres (µ s et µ a des 2 couches) Inversion sur 3 paramètres (µ s et µ a couche profonde + épaisseur) Inversion sur 2 paramètres (µ s et µ a couche profonde) Coefficients de la couche profonde

51 51 Inversion sur 3 paramètres (µ s et µ a couche profonde + épaisseur)

52 52 Résultats d'inversion sur un milieu bicouche Analyse des nappes de réflectance Inversion sur 5 paramètres (tous) Inversion sur 4 paramètres (µ s et µ a des 2 couches) Inversion sur 3 paramètres (µ s et µ a couche profonde + épaisseur) Inversion sur 2 paramètres (µ s et µ a couche profonde) Coefficients de la couche profonde

53 53 Grande sensibilité aux erreurs systématiques: Inhomogénéité des phantoms optiques Faible dynamique de la caméra à balayage de fente Dérive temporelle de la caméra Discussion des résultats d'inversion sur les nappes expérimentales

54 54 Conclusions & Perspectives Développement de nouveaux modèles analytiques pour accélérer la résolution du problème direct Mise au point dune procédure dinversion Tests du problème inverse sur des simulations de Monte Carlo Résultats très encourageants Tests sur des données expérimentales Un accord assez satisfaisant a été obtenu sur les coefficients optiques de la couche profonde ce qui ouvre la voie à l'utilisation des mesures optiques résolues dans le temps et dans l'espace en oxymétrie.


Télécharger ppt "1 Mesure des propriétés optiques de milieux diffusants stratifiés par lanalyse de la rétrodiffusion dimpulsions infrarouges subpicosecondes Equipe OPTIMA."

Présentations similaires


Annonces Google