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Submitted on 11 Sep 2017
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mathematical models and use of nonlinear analyses to investigate the impact of aging on microvascular blood
flow
Adil Khalil
To cite this version:
Adil Khalil. Processing of laser speckle contrast images : study of mathematical models and use of
nonlinear analyses to investigate the impact of aging on microvascular blood flow. Signal and Image
processing. Université d’Angers, 2017. English. �NNT : 2017ANGE0006�. �tel-01585243�
Thèse de Doctorat
Adil I. K HALIL
Mémoire présenté en vue de l’obtention du grade de Docteur de l’Université d’Angers sous le sceau de l’Université Bretagne Loire
École doctorale : Sciences et technologies de l’information, et mathématiques (STIM) Discipline : Sciences, section CNU 26, 27, 61, 63
Spécialité : Traitement du Signal et de l’Image
Unité de recherche : Laboratoire Angevin de Recherche en Ingénierie des Systèmes (LARIS) Soutenue le 5 avril 2017
Thèse n°: 108215
Processing of laser speckle contrast images:
Study from mathematical models and use of nonlinear analyses to investigate the impact of aging on microvascular blood flow
JURY
Rapporteurs : M. Walter B
LONDEL, Professeur des universités, Université de Lorraine
M. Jean-Marc G
IRAULT, Maître de conférences, Université François-Rabelais, Tours Examinateurs : M. Jean-Luc C
RACOWSKI, Professeur des universités, Université Grenoble Alpes
M
meEmilie P
ERY, Maître de conférences, Université de Clermont-Ferrand
Directrice de thèse : M
meAnne H
UMEAU-H
EURTIER, Professeur des universités, Université d’Angers
Résumé
Selon l’Organisation mondiale de la santé, une augmentation de l’espérance de vie est observée (World Health Organization, 2015). En 2050, la population mondiale âgée de 60 ans et plus devrait atteindre 2 milliards, et a augmenté de 900 millions en 2015.
Ainsi, 125 millions de personnes sont âgées de 80 ans ou plus (World Health Organi- zation, 2015). Cependant, ces années supplémentaires sont dominées par la baisse des capacités physiques et mentales.
Le vieillissement est un facteur de risque des maladies cardiovasculaires. Il est as- socié à une réduction de l’activité microvasculaire, une augmentation de la rigidité des vaisseaux, une diminution de la densité vasculaire, et à une altération de l’organisation des vaisseaux (Tobin, 2017). Au fil du temps, ces modifications vasculaires conduisent à un risque accru de nombreuses maladies et à une diminution progressive de la capacité de l’individu à s’adapter aux conditions locales. À long terme, elles peuvent entraîner la mort. Par conséquent, le processus de vieillissement est l’un des domaines où la recherche et de nouvelles technologies doivent être appliquées. Néanmoins, des analy- ses chez des sujets sains sont d’abord importantes car elles sont la première étape avant une analyse chez des sujets pathologiques.
L’évaluation du flux sanguin microvasculaire est importante pour analyser l’impact du vieillissement (Li et al., 2006b; Tsuda et al., 2014). Pour cette raison, différentes techniques à base de lasers ont émergé pour surveiller le flux sanguin microvasculaire (Bi et al., 2015; Allen and Howell, 2014; Eriksson et al., 2014; Roustit and Cracowski, 2013). Parmi ces techniques, l’imagerie laser Doppler (LDI
1) et l’imagerie de contraste par speckle laser (LSCI
2) ont pris une place prépondérante en recherche clinique. Ces deux techniques offrent un temps de mesure de l’ordre de quelques millisecondes. En outre, pour effectuer des mesures de LSCI, un appareil photo bon marché - ayant une fréquence d’images de 200Hz - est suffisant pour fournir d’excellentes images de la circulation sanguine. Pour le LDI, une caméra possédant une fréquence d’acquisition élevée jusqu’à 25 kHz est nécessaire pour fournir des images de qualité comparable
1. Pour des raisons de cohérence, nous gardons l’acronyme LDI pour ce résumé en français.
2. Pour des raisons de cohérence, nous gardons l’acronyme LSCI pour ce résumé en français.
3
(Draijer et al., 2009).
Le LSCI fournit des images de la perfusion microvasculaire ayant de très bonnes résolutions spatiales et temporelles, et ceci avec du matériel à faible coût (Richards et al., 2013; Humeau-Heurtier et al., 2014a; Puissant et al., 2013). Le LSCI repose sur l’utilisation d’une lumière laser (Briers and Webster, 1996). Ainsi, un rayon laser est envoyé sur les tissus à étudier. Les photons de la lumière laser sont rétrodiffusés par des particules statiques et les globules rouges de la microcirculation sanguine. La lumière rétrodiffusée est imagée par une caméra. Puisque les globules rouges sont en mouvement, le “pattern” (de speckle) obtenu sur la caméra varie avec le temps. En raison du temps d’exposition de la caméra, un flou des “patterns” de speckle est obtenu.
Le flou est quantifié à partir du contrast de speckle K défini par
K = σ
⟨ I ⟩ =
√ ⟨ I
2⟩ − ⟨ I ⟩
2⟨ I ⟩ , (1)
où σ est l’écart-type de l’intensité de speckle dans une région spatiale de l’image et ⟨ I ⟩ est l’intensité moyenne dans cette région spatiale.
Le contraste de speckle K est fonction du temps de corrélation de speckle τ
cet du temps d’exposition T de la caméra. Si la distribution de vitesse des éléments de diffusion est supposée suivre un profil statistique Lorentzien, le contraste K s’écrit alors (Boas and Dunn, 2010)
K
Lorentzien2= β [ τ
cT + τ
c22T
2( exp
(
− 2T τ
c)
− 1 )]
, (2)
où β est le facteur de cohérence.
À partir de cette expression, le temps de corrélation τ
cest calculé et utilisé pour déterminer la vitesse des érythrocytes de la microcirculation (Briers and Webster, 1996)
v
c= λ
2πτ
c, (3)
où λ est la longueur d’onde du laser.
L’équation (2) est cependant insuffisante car elle ne prend pas en compte l’effet
des particules statiques comme la peau. En prenant en compte les particules statiques,
l’équation (2) devient (Boas and Dunn, 2010)
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K
Lorentzien2=β [
ρ
2exp( − 2x) − 1 + 2x
2x
2+
4ρ(1 − ρ) exp( − x) − 1 + x
x
2+ (1 − ρ)
2]
+ C
noise,
(4)
où x = T /τ
c, ρ = I
f/(I
f+ I
s) est la fraction de la lumière totale qui est diffusée dy- namiquement avec I
fl’intensité de la lumière diffusée dynamiquement et I
sl’intensité de la lumière diffusée statiquement. De plus, C
noisecorrespond au bruit de la mesure (Boas and Dunn, 2010).
Il a été montré que si l’effet des diffuseurs statiques n’est pas considéré, alors il en résulte une sous-estimation des variations spatiales et temporelles de la dynamique de l’échantillon (Li et al., 2006a; Parthasarathy et al., 2008).
Pour évaluer la fonction microvasculaire, il nous faut extraire des informations phys- iologiques pertinentes à partir d’images médicales. Ainsi, de nombreuses méthodes de traitement de signal/d’image ont été proposées afin de permettre une meilleure com- préhension des caractéristiques physiologiques sous-jacentes. Parmi ces méthodes, le calcul de la “sample entropy” (SampEn) a été particulièrement intéressant dans le do- maine biomédical (Richman and Moorman, 2000). La SampEn a été utilisée pour mesurer la régularité de séries temporelles physiologiques (Chen et al., 2009; Humeau et al., 2008; Hornero et al., 2006). Toutefois, la SampEn effectue une analyse à une seule échelle. Cependant, le système cardiovasculaire se manifeste sur de multiples échelles temporelles pour augmenter sa capacité d’adaptation dans un environnement en constante évolution. Ainsi, la complexité du système cardiovasculaire doit être étudiée sur de multiples échelles temporelles. Pour pallier l’inconvénient de la Sam- pEn (qui effectue une analyse à une seule échelle), l’entropie multi-échelle (MSE
3) a été introduite comme un outil pratique pour traiter les signaux physiologiques sur des échelles de temps multiples (Costa et al., 2005, 2002). La MSE s’appuie sur la SampEn.
Pour une série temporelle, { x
1, ..., x
i, ...x
N} donnée, des sous-séries temporelles ap- pelées “coarse-grained” sont construites. Ces séries temporelles “coarse-grained” sont obtenues en moyennant un ensemble de points se trouvant dans des fenêtres de taille τ qui ne se chevauchent pas.
Chaque élément y
(τ)jde ces séries “coarse-grained” est calculé selon l’équation
3. Pour des raisons de cohérence, nous gardons l’acronyme MSE pour ce résumé en français.
y
j(τ)= 1 τ
jτ
∑
i=(j−1)τ+1