CE48 - Fondements du numérique: informatique, automatique, traitement du signal

Problèmes inverses aveugles et microscopie optique – MICROBLIND

Résumé de soumission

Plusieurs révolutions récentes en imagerie reposent sur le calcul numérique. On peut penser à la microscopie par localisation de molécules uniques (Prix Nobel 2014) ou à la cryo-microscopie électronique (prix Nobel 2017). Elles ont pour point commun la nécessité d'effectuer préalablement une modélisation mathématique et un étalonnage du système. Bien qu’elles aient permis d’observer des phénomènes jusqu’alors hors de portée, leur expansion est limitée par un problème important : il est difficile de contrôler précisément les conditions d’imagerie (e.g. températures, longueurs d’ondes, indices de réfraction). Ceci résulte en des erreurs de modélisation qui peuvent avoir des répercussions désastreuses sur la qualité des images produites. Ainsi, ces technologies sont actuellement réservées à un trop petit nombre de centres de recherche possédant du matériel de pointe et une expérience interdisciplinaire considérable. L’objectif de ce projet est d’apporter de nouvelles solutions théoriques et numériques permettant de dépasser ces difficultés, puis de les appliquer à différents microscopes optiques, afin de démocratiser leur utilisation, de réduire leur coût et le temps de préparation des expériences.

L'idée centrale est de caractériser un instrument de mesure, non pas par un opérateur unique (e.g. une convolution), mais par une famille de petite dimension permettant de modéliser tous les états possibles du système. A notre connaissance, cette idée a été très peu explorée jusqu’à présent et ouvre de nombreuses questions difficiles : comment évaluer cette famille expérimentalement et numériquement ? Comment identifier l’état du système à partir d’observations bruitées indirectes ? Comment exploiter ces informations pour reconstruire des images en des temps courts ? Nous avons commencé à explorer ces questions dans des travaux récents et souhaitons poursuivre cet effort en utilisant des outils d’optimisation, d’analyse harmonique, de probabilités et statistiques, de géométrie algébrique, d’apprentissage machine et de calcul massivement parallèle. Nous espérons ainsi effectuer des avancées significatives dans le domaine des problèmes inverses aveugles. Nous les validerons sur des problèmes de microscopie photonique en collaboration avec des opticiens, responsables de deux plateformes de microscopie. Ceci permettra d’obtenir des retours d’expérience directs pour des problématiques réelles en biologie. Nous étudierons particulièrement les problèmes de super-résolution par molécule unique, de localisation multi-focale et d’illumination structurée aveugle. De plus, plusieurs entreprises du bassin Toulousain (INNOPSYS, IMACTIV-3D, AGENIUM), nous fourniront les données issues de leurs microscopes (line scanning microscope, light sheet fluorescence microscope), ce qui assurera des transferts directs à l’industrie.

L’impact de ce projet va bien au-delà de la microscopie optique, puisque des problématiques similaires existent en astrophysique, en observation de la terre, dans le contrôle non destructif ou encore en sismologie. Le financement de ce projet favoriserait la création d’une équipe inter-disciplinaire en imagerie computationelle au centre de biologie intégrative de Toulouse (CBI) et favoriserait des interactions et échanges de connaissance entre la nouvelle équipe toulousaine et l’équipe MORPHEME de Sophia-Antipolis qui est déjà la référente de ce domaine dans la région Côte d’Azur.

Coordination du projet

Pierre Weiss (Institut de Mathématiques de Toulouse)

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

IRIT Institut de Recherche en Informatique de Toulouse
I3S Laboratoire informatique, signaux systèmes de Sophia Antipolis
IMT Institut de Mathématiques de Toulouse

Aide de l'ANR 314 087 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2021 - 48 Mois

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