Présentation générale
Notre thématique de recherche porte sur l’étude du transport de la lumière dans les milieux biologiques par des approches essentiellement de modélisation et de simulations numériques. Les applications visées sont le diagnostic optique des tumeurs cancéreuses et leurs traitements par photothérapie. L’équipe est composée de deux permanents (1 CR et 1 MCF).
Motivation et enjeu
Le diagnostic non-invasif des tumeurs cancéreuses à un stade précoce est un défi aux enjeux de Santé Publique. D’un point de vue radiatif, les tissus biologiques sont absorbants, du fait de la présence de l’hémoglobine (oxygénée et désoxygénée), de la mélanine et de leurs teneurs en eau. De plus, leurs hétérogénéités leurs confèrent un caractère très diffusant (les noyaux des cellules font partie des principaux diffuseurs de la lumière). Ce diagnostic est possible de part les différences entre un tissu sain et un tissu cancéreux. En effet, une tumeur est une structure biologique fortement vascularisée. Cet apport sanguin supplémentaire modifie les propriétés d’absorption des tissus tumoraux par rapport à celles des tissus sains. Du point de vue morphologique, l’élément discriminant principal entre ces tissus est la taille et la forme du noyau des cellules cancéreuses (plus grand et plus hétérogène que celle des cellules saines). Aussi, on peut envisager d’utiliser ces changements pour discriminer tissu sain et tissu cancéreux. La technique consiste à éclairer le tissu avec une source laser dans le spectre visible ou proche infrarouge puis à exploiter les signaux véhiculés par la lumière dans le milieu ou rétrodiffusés à la surface.
Objectifs des travaux envisagés
Notre premier objectif est de contribuer à la compréhension et à la simulation du transport de la lumière dans les milieux biologiques. Nous modélisons de façon rigoureuse le transport de la lumière à l’échelle mésoscopique à l’aide de l’Equation du Transfert Radiatif (ETR). Nous avons développé une méthode numérique originale basée sur des Volumes Finis modifiés pour résoudre de façon précise l’ETR en géométries complexes 2D et 3D. Nous disposons également d’un code Monte Carlo à collision nulle pour résoudre l’équation.
Notre second objectif a pour ambition de développer des techniques non-invasives innovantes d’imagerie optique pour l’aide au diagnostic de tumeurs cancéreuses. Nous travaux actuels permettent de reconstruire efficacement en 2D et 3D les propriétés optiques (coefficients d’absorption et de diffusion) de tissus biologiques sans et avec marqueurs exogènes (technique de fluorescence). L’analyse de sensibilité a montré que le facteur g d’anisotropie de diffusion (de la fonction de phase de Henyey-Greenstein) est le paramètre le plus sensible du modèle direct. Grâce à notre modèle direct basé sur l’ETR, nous avons pu reconstruire le facteur g en tant que nouvel agent de contraste optique endogène pour le diagnostic des tumeurs. Notre algorithme de reconstruction multifréquences est basé sur la méthode adjointe appliquée à l’ETR.
Nous poursuivons actuellement nos efforts sur l’imagerie photoacoustique des tissus biologiques. L’intérêt de cette technique d’imagerie très prometteuse, qui combine laser et ultrasons, consiste à obtenir une meilleure résolution et d’imager plus en profondeur les tissus biologiques.
Enfin, notre troisième objectif est de contribuer à la compréhension et à la simulation des transferts de chaleur dans les milieux biologiques pour des applications liées au traitement des tumeurs par photothérapie.
Nos codes de calculs sont parallélisés et tournent sur le mésocentre EXPLOR de l’Université de Lorraine.
Collaborations internationales et nationales
- ILM (Institute of Laser Technologies in Medicine and Metrology) de l’Université d’Ulm en Allemagne (Pr A. Kienle)
- LORIA (Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications – UMR 7503) de l’Université de Lorraine (Pr S. Contassot-Vivier)
- IECL (Institut Élie Cartan de Lorraine – UMR 7502) de l’Université de Lorraine (Pr J. R. Roche)
- LAPLACE (Laboratoire plasma et conversion d’énergie – UMR 5213) de l’Université de Toulouse (Pr R. Fournier)
Participation à des réseaux nationaux
GDRs Ondes et Tamarys
Contact
- Fatmir Asllanaj, fatmir.asllanaj@univ-lorraine.fr
- Olivier Farges, olivier.farges@univ-lorraine.fr