Sujet de stage
Titre :
Méthodes multimodales de spectro-imagerie et d'apprentissage automatique pour la caractérisation bio-optique
des calculs rénaux dans les gammes UV-Visible-NIR-FIR-THz
Dates :
2024/03/11 - 2024/08/11
Etudiant :
Encadrant(s) :
Autre(s) encadrant(s) :
Alexandre Locquet (alocquet@georgiatech-metz.fr)
Description :
Les calculs rénaux sont des cristaux durs qui se développent dans les reins et les voies urinaires (lithiase). Pour
détruire ces calculs, lors de l'examen endoscopique, le clinicien utilise un laser (basse fréquence, quelques
Watts) qui va les fragmenter ou les désintégrer en poussière. Une fois extraits, les fragments sont analysés au
microscope et au spectrophotomètre infrarouge (SPIR) afin de déterminer leur composition biochimique et
ainsi établir leurs origines métaboliques, c'est-à-dire les traitements adaptés au patient (alimentation,
médicament, etc.). Cependant, avec le progrès technique, la destruction des pierres repose de plus en plus sur
le poudrage : dans ce cas, les pierres sont vaporisées en morceaux si petits que l'analyse morpho-fonctionnelle
habituelle n'est plus possible.
Ainsi, une caractérisation biophotonique in situ des calculs rénaux, c'est-à-dire pendant l'endoscopie et avant
poudrage, serait une alternative et une innovation majeure pour l'identification des calculs mais aussi pour un
gain de temps (connaissance en temps réel de la composition des calculs) permettant au clinicien de proposer
des traitements adaptés immédiatement après l'intervention chirurgicale, sans attendre plusieurs semaines les
résultats du SPIR.
La caractérisation biophotonique des calculs rénaux à l'aide de nouvelles méthodes de spectro-imagerie in vivo
est donc un enjeu prioritaire et majeur à aborder dans le développement de nouvelles solutions compatibles
avec la traduction clinique. Dans ce cadre, l'originalité de notre projet de recherche est d'étudier le potentiel
de deux méthodes complémentaires, l'imagerie hyperspectrale (HIS) dans le domaine spectral visible [400-
900]nm et la spectroscopie temporelle térahertz et l'imagerie pulsée mettant en vedette un [0,1- 5] Bande
passante spectrale THz, pour la caractérisation biophotonique et la classification des différents types de
pierres. Ce projet rassemble les compétences et l'expertise (i) du service d'urologie du CHRU Nancy en
urétéroscopie, traitement laser et analyse biologique des calculs rénaux, (ii) du groupe Photonique et Térahertz
de GeorgiaTech-CNRS (GT-CNRS) en spectroscopie THz/ instrumentation d'imagerie et analyse de données et
(iii) l'équipe CRAN en spectro-imagerie UV-Vis-NIR, interactions lumière-tissus et traitement/analyse de
données (spectres, images, extraction/sélection de caractéristiques, classification).
Les principaux objectifs du stage sont :
- Réaliser une analyse détaillée de la littérature scientifique sur les études existantes liées à l'imagerie des
calculs rénaux HIS et THz
- Prise en charge des systèmes expérimentaux Imagerie Hyperspectrale et Sphères Intégratrices Doubles
(CRAN) et Imagerie THz (GT-CNRS) incluant les procédures d'étalonnage
- A partir du protocole d'essais de faisabilité validé sur un ensemble préliminaire (limité) de pierres, définir puis
conduire un protocole expérimental de mesures pour construire une base de données étendue
- Proposer et mettre en oeuvre des solutions algorithmiques (sur Matlab) pour traiter les images HS et les
signaux THz acquis afin d'en extraire des caractéristiques discriminantes permettant une classification
automatique efficace (machine learning) des différents types de calculs rénaux.
détruire ces calculs, lors de l'examen endoscopique, le clinicien utilise un laser (basse fréquence, quelques
Watts) qui va les fragmenter ou les désintégrer en poussière. Une fois extraits, les fragments sont analysés au
microscope et au spectrophotomètre infrarouge (SPIR) afin de déterminer leur composition biochimique et
ainsi établir leurs origines métaboliques, c'est-à-dire les traitements adaptés au patient (alimentation,
médicament, etc.). Cependant, avec le progrès technique, la destruction des pierres repose de plus en plus sur
le poudrage : dans ce cas, les pierres sont vaporisées en morceaux si petits que l'analyse morpho-fonctionnelle
habituelle n'est plus possible.
Ainsi, une caractérisation biophotonique in situ des calculs rénaux, c'est-à-dire pendant l'endoscopie et avant
poudrage, serait une alternative et une innovation majeure pour l'identification des calculs mais aussi pour un
gain de temps (connaissance en temps réel de la composition des calculs) permettant au clinicien de proposer
des traitements adaptés immédiatement après l'intervention chirurgicale, sans attendre plusieurs semaines les
résultats du SPIR.
La caractérisation biophotonique des calculs rénaux à l'aide de nouvelles méthodes de spectro-imagerie in vivo
est donc un enjeu prioritaire et majeur à aborder dans le développement de nouvelles solutions compatibles
avec la traduction clinique. Dans ce cadre, l'originalité de notre projet de recherche est d'étudier le potentiel
de deux méthodes complémentaires, l'imagerie hyperspectrale (HIS) dans le domaine spectral visible [400-
900]nm et la spectroscopie temporelle térahertz et l'imagerie pulsée mettant en vedette un [0,1- 5] Bande
passante spectrale THz, pour la caractérisation biophotonique et la classification des différents types de
pierres. Ce projet rassemble les compétences et l'expertise (i) du service d'urologie du CHRU Nancy en
urétéroscopie, traitement laser et analyse biologique des calculs rénaux, (ii) du groupe Photonique et Térahertz
de GeorgiaTech-CNRS (GT-CNRS) en spectroscopie THz/ instrumentation d'imagerie et analyse de données et
(iii) l'équipe CRAN en spectro-imagerie UV-Vis-NIR, interactions lumière-tissus et traitement/analyse de
données (spectres, images, extraction/sélection de caractéristiques, classification).
Les principaux objectifs du stage sont :
- Réaliser une analyse détaillée de la littérature scientifique sur les études existantes liées à l'imagerie des
calculs rénaux HIS et THz
- Prise en charge des systèmes expérimentaux Imagerie Hyperspectrale et Sphères Intégratrices Doubles
(CRAN) et Imagerie THz (GT-CNRS) incluant les procédures d'étalonnage
- A partir du protocole d'essais de faisabilité validé sur un ensemble préliminaire (limité) de pierres, définir puis
conduire un protocole expérimental de mesures pour construire une base de données étendue
- Proposer et mettre en oeuvre des solutions algorithmiques (sur Matlab) pour traiter les images HS et les
signaux THz acquis afin d'en extraire des caractéristiques discriminantes permettant une classification
automatique efficace (machine learning) des différents types de calculs rénaux.
Mots clés :
Photodiagnostic, calculs rénaux, optique tissulaire, imagerie hyperspectrale, spectroscopie temporel
Département(s) :
| Biologie, Signaux et Systèmes en Cancérologie et Neurosciences |
Publications :
