Augmenter la profondeur de pénétration des microscopes optiques

Grâce à une nouvelle méthode de correction d'images, des chercheurs de l'Institut Langevin repoussent la limite de pénétration d'un microscope optique dans les tissus biologiques au-delà du millimètre. Ils ont étendu cette approche à d'autres types d'ondes, avec des applications en échographie et en sismologie. Les résultats obtenus en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) sont publiés dans Science Advances.


Le microscope optique (Le microscope optique est un instrument d'optique muni d'un objectif et d'un oculaire qui permet de grossir l'image d'un objet de petites dimensions (ce qui caractérise son grossissement) et de séparer les détails...) est un instrument essentiel pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle...), en particulier pour observer de manière non invasive des tissus in vivo (In vivo (en latin : « au sein du vivant ») est une expression latine qualifiant des recherches ou des examens pratiqués sur un organisme vivant, par opposition à in...). Mais il ne permet pas d'obtenir des images au-delà d'une profondeur de quelques centaines de microns. En effet, l'hétérogénéité du milieu dans lequel se propage et se réfléchit la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) des distorsions du front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) (aberrations) et des événements de diffusion multiple qui dégradent fortement la résolution et le contraste de l'image. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Langevin (CNRS/ESPCI) ont mis au point (Graphie) une méthode de correction d'images qui permet de compenser ces défauts, et de repousser ainsi la limite de pénétration d'un microscope optique dans un tissu biologique au-delà du millimètre.

Pour corriger les aberrations, des techniques de focalisation adaptative, inspirées de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) astronomique, ont déjà été utilisées. Mais elles ne sont efficaces que sur une zone très limitée de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) (quelques microns, pour une image réalisée à un millimètre de profondeur). La méthode proposée par l'équipe de l'Institut Langevin permet d'obtenir des images dans la profondeur de l'échantillon tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en élargissant le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vision. Elle commence par une détermination non-invasive de la matrice de transmission, c'est-à-dire l'opérateur (Le mot opérateur est employé dans les domaines :) mathématique qui fait le lien entre n'importe quel point à l'intérieur de l'échantillon, et son image sur le capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une...) de la caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) CCD où se forme l'image. Pour cela, une série de mesures des ondes diffusées par le milieu sont réalisées avec différents types d'ondes incidentes éclairant l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné...) sous différents angles, suivies de calculs sur un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données...). Le résultat est cette matrice de transmission, avec laquelle une image de l'intérieur du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en...) peut être restaurée en compensant les défauts dus aux hétérogénéités. A titre de démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en...), les chercheurs ont ainsi révélé les détails d'une mire placée derrière un tissu biologique opaque (une cornée de singe souffrant d'un oedème).

L'équipe s'attache maintenant à réaliser des images 3D en profondeur dans divers tissus biologiques. Elle travaille à réduire le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de mesure de la matrice de transmission, afin notamment d'effectuer des images in vivo en temps réel. En parallèle, la nouvelle méthodologie, brevetée, est mise en oeuvre avec d'autres types d'ondes. Des applications sont envisagées en échographie médicale (en collaboration avec la société Supersonic Imagine), tandis que des études sont lancées en sismologie, pour la surveillance de volcans et de zones de failles.

Références

Distortion matrix concept for deep optical imaging in scattering media,
A. Badon, V. Barolle, K. Irsch, A.C. Boccara, M. Fink (Fink est un projet open source entièrement écrit en Perl destiné à porter (avec le minimum d'effort) des applications originellement écrites pour UNIX (GNU/Linux, Solaris, BSD, etc.) sur les systèmes Darwin,...), A. Aubry,
Sci. Adv. 6, eaay7170 (2020)
DOI: 10.1126/sciadv.aay7170

Distortion matrix approach for ultrasound imaging of random scattering media,
W. Lambert, L. A. Cobus, T. Frappart, M. Fink, and A. Aubry.
Proc. Nat. Acad. Sci. USA 117, 14645-14656 (2020)
DOI: 10.1073/pnas.1921533117

Reflection matrix approach for quantitative imaging of scattering Media,
W. Lambert, L. A. Cobus, M. Couade, M. Fink, and A. Aubry.
Phys. Rev. X 10, 021048 (2020)
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021048

A Distortion Matrix Framework for High-Resolution Passive Seismic 3D Imaging: Application to the San Jacinto Fault Zone, California,
R. Touma, T. Blondel, A. Derode, M. Campillo, A. Aubry.
arXiv:2008.01608 (août 2020)
https://arxiv.org/abs/2008.01608

Matrix approach of seismic imaging: Application to the Erebus volcano, Antarctica,
T. Blondel, J. Chaput, A. Derode, M. Campillo, and A. Aubry,
J. Geophys. Res.: Solid Earth 123, 10936-10950 (2018)
DOI: 10.1029/2018JB016361