CE42 - Capteurs, instrumentation

Microscopie Tomographique Thêta à Hétérodynage Temporel – THTTM

THTTM – Microscopie Tomographique Thêta à Hétérodynage Temporel

Le projet THTTM vise a permettre la caractérisation d'échantillons dynamiques en microscopie diffractive (TDM). Deux aspects seront étudiés : <br />- discrimination statique/dynamique par imagerie laser Doppler 3D <br />- tomographie d'objets en mouvement par TDM ultra rapide

Enjeux et Objectifs

Le couplage de l'holographie hétérodyne avec l'imagerie 3D par tomographie diffractive doit permettre de : <br />- mettre en évidence de manière sélective et en 3D différentes régions des échantillons biologique, le tout sans marquage <br />- fonctionnaliser le dispositif de MTD en lui ajoutant de nouvelles modalités telles que l'imagerie laser Doppler. <br /> <br />A l'heure actuelle, c'est à notre connaissance la première tentative de couplage entre ces deux techniques. Ce projet pourra être une percée majeure dans le domaine de l'imagerie 3D sans marquage. <br /> <br />L'un des principaux intérêts du projet pourra être de proposer une méthode pour imager les mécanismes internes donnant lieu aux mouvements cellulaires. <br />La méthode de Microscopie Tomographique Diffractive Doppler (MTD-D) proposée devrait présenter les propriétés suivantes : <br />- haute résolution sans agent de contraste <br />- imagerie multimodale <br />- imagerie haute cadence en 3D. <br /> <br />Pour mener cette tache à bien, nous proposerons trois étapes graduelles : <br />- validation sur des échantillons à dynamique lente (échantillons végétaux ou microfluidique) <br />- accélération part TDM multivue en configuration theta <br />- construction d'un prototype haute cadence pour l« étude de microécoulements réels.

Construction d'un démonstrateur MTD-D basse cadence avec rotation de l'échantillon qui sera utilisé, comme preuve de concept, pour la caractérisation d'échantillons à dynamique lente ou contrôlée (échantillons biovégétaux ou microfluidiques). Ce prototype permettra également de valider les méthodes de traitement des données développées dans le cadre de THTTM.

Construction d'un montage multivue (sans balayage) pour des acquisitions tomographiques rapides. En combant les acquisitions selon un nombre limité d'angles de vue, nous devrions pouvoir obtenir des images Doppler 3D d'échantillons «rapide« au prix d'une résolution spatiale dégradée.

A la fin du projet, un travail sera mené sur l'accélération du dispositif d'un point de vue matériel. Ici, l'utilisation d'une caméra très haute cadence avec un dispositif de balayage de l'illumination adapté (DMD) devrait mener à la construction d'un imageur MTD-D haute cadence et haute résolution

A la fin du projet THTTM, nous espérons deux principales percées :
- le développement d'une méthode de microscopie tomographique diffractive multimodale
- des algorithmes de reconstruction haute-cadence

Nous avons bon espoir que les dispositifs et méthodes de reconstruction développés dans le cadre de THTTM aident la communauté en proposant une nouvelle modalité d'imagerie innovante.

Il est à noter que l'équipe associée à ce projet est membre du réseau MIAP (Microscopy and Image Analysis Platform: miap.eu) qui met à disposition de ses membres des méthodes d'imagerie et de traitement des données innovantes. Nous pouvons y voir une opportunité de diffuser les résultats et déliverables de THTTM à une plus large communauté.

De plus, nous venons de démarrer une étude afin de déterminer les limites de détection de la méthode. En effet, la détection hétérodyne est une méthode de détection cohérente qui est, par essence, limitée au bruit de photon. Nous pouvons dès lors espérer attendre une très grande sensibilité sur l'estimation de l'indice de réfraction des échantillons analysés.

1. A.M. Taddese et al., Appl. Opt. 60 pp 1694-1704 (2021) doi.org/10.1364/AO.417061
2. J.-B. Courbot et al., Inverse Problems 37 025002 (2021) doi.org/10.1088/1361-6420/abd29c
3. N. Verrier et al., SPIE Photonics Europe 2020 : doi.org/10.1117/12.2559200
4. A.M. Taddese et al. Focus on Microscopy 2021 : www.focusonmicroscopy.org/2021/PDF/1042_Taddese.pdf
5. S. Laroche et al., Journées d’imagerie optique non conventionnelle (GdR ISIS) 2021
6. A.M. Taddese et al., Journées d’imagerie optique non conventionnelle (GdR ISIS) 2021
7. A.M. Taddese et al., Journées d’imagerie optique non conventionnelle (GdR ISIS) 2020

Les méthodes de microscopie haute-résolution sont un des éléments fondamentaux dans les études en imagerie biomédicale.
Les travaux nobélisés de Bertzig et Hell en microscopie PALM/STED/STORM ont montré la possibilité d'imager à des résolutions de l'ordre de 50nm.
Néanmoins, ces méthodes nécessitent l'utilisation de marqueurs fluorescents, ce qui peut être un aspect limitant dans le cadre d'un protocole d'imagerie du vivant.

En parallèle le développement de méthodes d'interférométrie telle que la tomographie diffractive ont montré qu'il était possible d'obtenir une information structurelle en 3D sans agent de contraste.
De plus, l'utilisation de méthodes d'interférométrie hétérodyne offre la possibilité d'obtenir une information de mouvement (Doppler 2D) et ainsi discriminer les structures statiques des structures dynamiques.
Nous proposons ici de coupler ces deux méthodes au sein d'un même instrument dont le but serait d'imager sans agent de contraste la dynamique cellulaire (Doppler 3D).

Pour répondre aux contraintes, notamment en terme de cadence d'acquisition, les efforts sont portés à la fois sur les aspects expérimentaux (utilisations de dispositifs de balayage et d'acquisition très haute cadence) et numérique (amélioration et optimisation des méthodes de reconstruction pour limiter le nombre d'images nécessaires).

A l'issue de ce projet, il sera possible de réaliser des acquisitions tomographiques avec contraste Doppler, sans marquage et sur objet dynamique avec une cadence d’acquisition de l'ordre de la dizaine d'image par seconde.
Nous espérons que les résultats obtenus dans le cadre du projet THTTM permettront d'ouvrir de nouvelles perspectives pour la caractérisation d'échantillons vivants.

Coordinateur du projet

Monsieur Nicolas Verrier (Institut de Recherche en Informatique Mathématiques Automatique Signal (IRIMAS) - EA 7499)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IRIMAS Institut de Recherche en Informatique Mathématiques Automatique Signal (IRIMAS) - EA 7499
LP2N Laboratoire Photonique, Numérique, Nanosciences

Aide de l'ANR 260 712 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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