Imagerie microonde pour la détection du cancer du sein

Programme Sorbonne Universités / China Scholarship Council
Proposition de sujet de thèse
Titre: Imagerie microonde pour la détection du cancer du sein – Contribution à l’amélioration de la
résolution spatiale
Domaine scientifique : Electronique
Mots clefs: Imagerie Micro-ondes, fantômes mammaires large bande, caractérisation diélectrique, l détection
des tumeurs du sein
Co supervision : Oui ☐ Non ☐
Cotutelle : Oui ☐ Non ☐
Directeur(s) de thèse : Hélène ROUSSEL (PR, Directrice, L2E), Nadine JOACHIMOWICZ (MC,
codirectrice, GeePs) et Olivier MEYER (MC, co-directeur, GeePs)
Etablissement du (des) directeur(s) de thèse : UPMC
Adresse email du (des) directeur(s) de thèse: [email protected]
Ecole doctorale : ED SMAER
Laboratoire : L2E (EA2 UPMC), GeePs (UMR8507, Supélec, UPMC, Ups)
Adresse du laboratoire : L2E/BC 252 - 4 place Jussieu - 75 005 Paris
Site web : http://www.l2e.upmc.fr
Nom du directeur du laboratoire : Aziz BENLARBI-DELAI
Email du directeur du laboratoire : [email protected]
Numéro de telephone du directeur du laboratoire : 01 44 27 96 71
Description du projet scientifique (2 pages max.):
- Contexte de la recherche
Dans le spectre des ondes électromagnétiques, les microondes occupent un domaine de fréquence
s'étendant de 300 MHz à 300 GHz. L'imagerie microonde, est une technique d'imagerie comme la
tomographie par rayons X permettant d'avoir une perception de la matière à travers la permittivité
complexe des objets alors que l'imagerie par rayons X est liée à la densité des tissus.
Le Département de Recherche en Électromagnétisme est impliqué de longue date dans l’imagerie
micro-onde en vue d’applications biomédicales. Il a développé, à cet effet, une caméra micro-onde
fonctionnant à 2.45 GHz, qui couplée à un algorithme de rétro-propagation a des capacités d’imagerie
temps réel et dont la dernière application a été l’étude des possibilités de détection de tumeurs du sein
par imagerie micro-onde [1]. Cette thématique fait aujourd’hui l’objet d’un important effort de
recherche au niveau international, plusieurs « COST actions » sont en cours dont MiMed*, qui
regroupe plus d’une vingtaine d’équipes et à laquelle le DRE participe. Au niveau du département, elle
a fait l’objet de collaborations avec l’université de Mälardalen (Suède), l’université de Bristol (U.K.)
et le centre de recherche Polygrames de l’Ecole Polytechnique de Montréal (Canada). En effet,
l’imagerie micro-onde semble avoir des possibilités intéressantes pour cette application du fait, d’une
part, du caractère non ionisant des micro–ondes, contrairement aux rayons X traditionnellement
utilisés en mammographie et, d’autre part, du contraste relativement important existant entre les
propriétés diélectriques des tumeurs et celles des tissus sains. Cependant, l’adaptation à l’application
visée nécessite d’améliorer la résolution spatiale des images et une diversité en fréquence est
actuellement envisagée. Ce principe de diversification en fréquence nécessite d’adapter les
algorithmes de reconstruction au cas multi-fréquentiel en tenant compte notamment de la dispersion
des tissus, ainsi que de réaliser de fantômes stables dans le temps, de formes géométriques et de
propriétés diélectriques proches de celles du sein, qui reproduisent bien, son hétérogénéité et le
contraste avec la tumeur dans la bande de fréquence concernée. Des mélanges à base de TX100, eau
salée, semblent avoir des propriétés diélectriques recherchées dans la bande [500 MHz - 6 GHz] [2].
Le but de cette thèse est de poursuivre l’ensemble des travaux en cours dans ce domaine, et,
éventuellement, de l’étendre à l’imagerie d’autres organes, en bénéficiant des savoirs faire
complémentaires de trois laboratoires dans le domaine de la propagation d’ondes électromagnétiques :
Le L2E et le GeePs (ex LGEP) pour leurs compétences dans le domaine de la modélisation
électromagnétique la caractérisation diélectrique large bande et l’instrumentation et le groupe GPI du
L2S pour la résolution de problèmes inverses. De plus, cette thématique à caractère pluridisciplinaire
offre une opportunité d’interaction inédite entre praticiens, chercheurs et développeurs
d’instrumentation. D’autre part, une collaboration avec des cliniciens, sous une forme qui reste à
définir, serait intéressante.
- Bref descriptif scientifique et pré-requis
L’imagerie micro-onde est prise ici au sens de l’imagerie micro-onde active ou l’image du sein est
reconstruite à partir de la mesure du champ diffracté résultant de son interaction avec une onde
interrogatrice connue. Dans la bande de fréquence considérée, cette interaction donne lieu à des
phénomènes de diffraction, la longueur d’onde de l’onde interrogatrice étant voisine des dimensions
caractéristiques des inhomogénéités du sein et d’une tumeur éventuelle. La modélisation de
l’interaction onde - sein est basée ici sur une représentation intégrale des champs où ces derniers
apparaissent comme étant rayonnés par des sources fictives, dites sources de Huygens, induites dans le
sein par l’onde incidente. Ceci conduit à deux équations intégrales couplées reliant le champ observé
aux paramètres électromagnétiques (permittivité diélectrique, conductivité) des tissus, dont la version
discrète est obtenue à l’aide de la méthode des moments. L’image proprement dite consiste en une
cartographie de ces paramètres. Elle est obtenue au travers de la résolution d’un problème inverse de
diffraction qui consiste à inverser les équations intégrales couplées précédemment citées et
dénommées ainsi par opposition au problème direct associé, qui consiste à calculer le champ diffracté,
les paramètres électromagnétiques étant alors supposés connus. Les problèmes inverses de diffraction
sont connus pour être mal posés, c'est-à-dire que leurs solutions ne vérifient pas simultanément les
conditions d'existence, d'unicité et de stabilité. Ils doivent donc être régularisés en introduisant, par
exemple, une information a priori sur la solution recherchée.
L’étude proposée comporte trois aspects : un aspect instrumentation consistant à faire évoluer d’une
part les fantômes modélisant les tissus du sein et d’autre part à transformer la caméra micro-onde en
un système large bande adapté à l’application et permettant d’acquérir des données (champs diffractés)
sur des fantômes réalistes large bande, un aspect théorique portant sur le développement de méthodes
d’inversion capables de résoudre le problème inverse décrit ci-dessus et un aspect numérique
consistant en la mise en œuvre de ces méthodes sur des données synthétiques et sur des données
expérimentales acquises sur les fantômes. Des collaborations avec le L2S groupe GPI pour le
développement d’algorithmes multi-fréquentiels et une start-up pour la fabrication et la caractérisation
des fantômes sont envisagées.
Compétences acquises lors du travail de thèse :
Les domaines de compétence apportés au doctorant en termes de formation par la recherche sont :
L’électromagnétisme, les problèmes inverses et la méthodologie de l'inversion, l'imagerie
électromagnétique, la modélisation numérique et l'expérimentation (mesure de champs
électromagnétiques/mesure des caractéristiques diélectriques des fantômes).
Deux publications scientifiques majeures dans le domaine du sujet proposé : [1] T. Henriksson, N.
Joachimowicz, C. Conessa and J.-Ch. Bolomey, Quantitative microwave imaging of inhomogeneous
objects using a planar 2.45 GHz system, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,
(2010-10) 59, 10, 2691 – 2699.
[2] N. Joachimowicz, C. Conessa, T. Henriksson, B. Duchêne, ” Breast phantoms for Microwave
Imaging ”, IEEE Antennas Wireless Propag. Lett, vol. 13, pp. 1333-1336, 2014

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