Analyse de la lumière diffuse et de la lumière de fluorescence avec une combinaison de capteurs optiques innovants pour un diagnostic précoce facilement accessible – DIAGNOSIS

Le projet est organisé en trois tâches principales.
La première est consacrée à la modélisation et aux spécifications : des modèles physiques seront développés afin de simuler les signaux attendus et d'induire les performances requises des capteurs CMOS pour répondre aux besoins des utilisateurs finals. Des expériences préliminaires seront planifiées pour calibrer et évaluer les algorithmes et les protocoles de mesure. Cette tâche vise également à fournir des spécifications précises à chaque interface du projet, en indiquant les principales spécifications techniques pour les utilisateurs finals. Cette tâche sera une phase principale d'échanges pour tous les partenaires du consortium, afin de définir clairement les exigences à toutes les étapes du projet. Il s'agit d'une étape cruciale pour garantir que les travaux de chaque partenaire s'accordent entre eux.
La deuxième tâche sera consacrée à la conception et à l'implémentation des deux capteurs CMOS prévus: un capteur reposant sur des statistiques pour l'implémentation des mesures DCS, et un capteur d'image lock-in pour l'imagerie de fluorescence en plein champ. Cette tâche, reprenant les spécifications de la première, inclura la conception des schémas et la disposition des deux capteurs, ainsi que la conception et la réalisation des cartes de circuits imprimés comprenant les circuits intégrés mentionnés.
Dans la troisième tâche, les capteurs seront disposés sur un banc optique pour une évaluation des performances en laboratoire par le partenaire LPL avant d'être mis en œuvre sur les prototypes. Deux prototypes seront développés dans le cadre de ce projet : un capteur Multiplex modifié pour l'imagerie de fluorescence, et un prototype pour la caractérisation approfondie des fruits et légumes. Afin de tester et d'améliorer les nouveaux instruments, nous proposons de réaliser deux types de campagnes : une en serre et une en plein champ. Les résultats de chaque campagne permettront d'améliorer le prototype.

À partir des données chiffrées fournies par Force-A, les deux partenaires FORCE-A et LPL ont établi des bilans photométriques ainsi qu'un cahier des charges pour l'imageur de fluorescence. FORCE-A a également exposé les différentes contraintes concernant l’adaptation des techniques développées par les partenaires académiques aux systèmes qu’il commercialise déjà. Ce dernier point était essentiel pour la réalisation d'un prototype Multiplex adapté à l'imagerie de fluorescence.

Par ailleurs, dans le cadre du dimensionnement d'un système de mesure «DCS«, le partenaire LPL a effectué un un travail préliminaire sur des pommes, qui constituent l'une des principales cibles de ce type de technologie de diagnostic dans le domaine alimentaire. Le LPL a ainsi étudié la décorrélation du speckle en transillumination à travers des tranches de pomme en calculant le contraste du speckle enregistré pour différents temps d’exposition sur la caméra. Une première campagne de mesure sur une cinquantaine de pommes a permis de mettre en évidence une corrélation intéressante entre les mesures de contraste du speckle et les méthodes de caractérisation couramment utilisées dans le domaine (mesures de fermeté et de « degré Brix »). Ces premières mesures ont permis de caractériser le milieu d’étude et de cerner les ordres de grandeurs.

Les partenaires ont ensuite dévoloppé 3 circuits intégrés, encore en phase d'implémentation et de test. La technologie la plus mûre est le circuit «DIAGNOSIS« du LPL, qui a pu être intégré dans un prototype Multiplex de la société Force-A, et a ainsi permis d'établir des images du taux d'anthocyane sur des grains de raisins par spectroscopie de fluorescence. Etant donné le faible niveau du signal de fluorescence qui, sur un imageur standard, serait inférieur au bruit quantique de la lumière du jour (même après filtrage spectral), il s'agit là d'une véritable performance.

Le projet s'inscrit dans le cadre du défi : « Sécurité alimentaire et défi démographique «, axe « Enjeux agro-alimentaires, la maîtrise sanitaire des productions végétales «.En effet, l'objectif global est de permettre la réalisation de capteurs d'images à bas coût pour la maîtrise sanitaire des productions végétales et animales. Un tel dispositif constitue à lui seul une innovation clé pour le contrôle non destructif, et peut donc conduire à des réductions de coûts significatives.


Les technologies proposées sont au cœur du métier du partenaire FORCE-A, qui dispose de toutes les infrastructures et du réseau de clients pour en assurer la pleine diffusion. L'accès privilégié à ces nouvelles technologies sera un accès significatif pour la compétitivité de cette PME. En outre, à plus long terme, ces capteurs intelligents peuvent avoir d'autres applications, et notamment un grand potentiel applicatif dans le diagnostic du cancer à faible coût et sans danger.

Le projet nécessite un développement conjoint dans plusieurs domaines de recherche appliquée, tels que la modélisation et la conception de circuits intégrés CMOS, la méthodologie de caractérisation des signaux...Même si le circuit intégré sera conçu avec une technologie CMOS aboutie, les architectures de capteurs intelligents relèvent du domaine des nouveaux composants, puisque leur modélisation et leur utilisation sont clairement dans le domaine de la recherche avancée dans lequel les deux partenaires LPL et CEA sont directement impliqués : le développement de nouvelles conceptions CMOS est l'activité principale du partenaire CEA, et le diagnostic non invasif des tissus biologiques par analyse de la lumière diffuse est l'expertise principale du partenaire LPL : ce dernier partenaire est pleinement intéressé par le développement de nouveaux capteurs pour améliorer la qualité des mesures et la pertinence de leurs outils de diagnostic.

Articles:

- C. Abou Nader, J.-M. Tualle, É. Tinet, D. Ettori, «Scattering spot imaging for the determination of optical and dynamical properties of viscoelastic media«, Optics Communications 439, pp. 270-275 (2019).

- C. Abou Nader, J.-M. Tualle, É. Tinet, D. Ettori, «A New Insight into Biospeckle Activity in Apple Tissues«, Sensors 19 (3); 497 (2019).

- C. Abou Nader, J.-M. Tualle, É. Tinet, D. Ettori, «Retrieving viscoelastic properties using time-resolved spatial speckle imaging«, Proceedings of the SPIE, Volume 10685, id. 1068507 (2018).


Conferences:

- C. ABOU NADER, J.-M. TUALLE, E. TINET, D. ETTORI, Monitoring viscoelastic properties using time-resolved spatial speckle imaging, SPIE Photonics Europe 2018, Strasbourg, France, 23-25 April 2018

- C. ABOU NADER, J.-M. TUALLE, E. TINET, D. ETTORI, Non-invasive evaluation of viscoelastic properties using time-resolved spatial speckle imaging, Journées Imagerie du Vivant, Paris, France, 2017 (Poster)

- C. ABOU NADER, J.-M. TUALLE, E. TINET, D. ETTORI, Towards a non-invasive evaluation of viscoelastic properties using time-resolved spatial speckle imaging, Biophotonics and Medical Optics, workshop on biomedical optics, CERIMED, Marseille, France, 6-8 june 2017 (Poster)

- J.-M. TUALLE, K. BARJEAN , E. TINET, D. ETTORI, The challenge of shot-noise limited speckle patterns statistical analysis, Electronic Imaging 2017, San Francisco, 28/01-2/02/2017.

Grâce aux techniques telles que la spectroscopie de fluorescence ou la spectroscopie de lumière diffuse, l’analyse des
bio-matériaux par la lumière a des applications dans de nombreux domaines tels que le contrôle qualité de l’alimentation
et des cultures, qui est l’objet du présent projet. La mesure fiable de signaux très faibles constitue un défi majeur dans ce
domaine. Actuellement, la taille et le prix des appareillages empêchent leur large diffusion. Pour réduire ce coût et cette
taille tout en ayant de hautes performances de détection, le projet DIAGNOSIS propose de développer un système
générique reposant sur des matrices de photodétecteurs «intelligents » en technologie CMOS, avec une haute qualité des
mesures obtenues par le traitement in-situ des données. Stimulée par l’utilisateur final, ces capteurs sont matures en
termes de performances et de fonctionnalités. Ces solutions bas coût permettront une large diffusion de cette technologie
et l’ouverture de nouveaux marchés.
Le consortium réunit toutes les compétences pour ce projet pluridisciplinaire avec trois partenaires : le “Laboratoire de
Physique des Lasers” de l’Université Paris 13 (partenaire LPL), le laboratoire CEA-LETI situé à Grenoble (partenaire CEA)
et la PME FORCE-A, société créée en 2004 et située à Orsay. FORCE-A conçoit et commercialise des outils innovants
pour le diagnostic des plantes ainsi que des solutions pour la surveillance et la gestion en temps réel des cultures. Le
partenaire LPL a une grande expertise concernant la propagation de la lumière diffuse, les problèmes inverses et le
diagnostic non–invasif avec la lumière diffuse. Ce partenaire a également des compétences en opto-électronique et pour
le prototypage. Le partenaire LPL sera le lien entre le concepteur de circuits intégrés (partenaire CEA) et l’utilisateur final
(FORCE-A), avec la définition du cahier des charges, la mise-en-œuvre des circuits sur le prototype, ainsi que l’analyse et
l’interprétation des résultats.