Approche matricielle de la microscopie optique : quantification et correction des aberrations et de la diffusion multiple

Matrix approach to optical microscopy : quantification and correction of aberrations and multiple scattering

• Auteur / Autrice : Paul Balondrade
• Direction : Mathias Fink, Albert-Claude Boccara, Alexandre Aubry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Brasselet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathias Fink, Jérôme Mertz, Emmanuel Bossy, Sylvain Gigan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Mertz, Emmanuel Bossy

Mots clés

Mots clés libres

Tomographie à Cohérence Optique

Imagerie matricielle

Aberrations

Diffusion multiple

Optique adaptative

Optical Coherence Tomography

Matrix Imaging

Aberrations

Multiple scattering

Adaptive optics

Résumé

Le principe de la microscopie optique est d’imager la réflectivité des tissus biologiques à partir des photons diffusés par ces derniers sous une illumination structurée. Cependant, la propagation des ondes lumineuses incidente et réfléchie est souvent dégradée par les hétérogénéités du milieu. Elles peuvent induire des distorsions du front d'onde (aberrations) et des évènements de diffusion multiple qui dégradent la résolution et le contraste de l'image. Les microscopes conventionnels voient leur profondeur de pénétration limitée par le libre parcours moyen de diffusion (typiquement de 10 à 200 µm dans les tissus biologiques). Cette limite a toutefois été repoussée par la microscopie confocale ou l’OCT qui permettent de filtrer spatialement et/ou temporellement une grande partie des photons multiplement diffusés. Une image 3D des tissus biologiques peut ainsi être réalisée sur quelques centaines de µm mais elle reste toutefois fortement altérée par les aberrations et un fond diffus prédominant. Initialement développée en astronomie, l’optique adaptative a été transposée à la microscopie pour corriger les aberrations induites par le milieu. Cependant, les méthodes d’optique adaptative sont complexes à mettre en œuvre expérimentalement, limitées à des faibles ordres d’aberrations et efficientes seulement sur la zone d'invariance de l'aberration. Cette aire d'isoplanétisme voit sa taille diminuer en profondeur jusqu'à ce que l'onde perde totalement la mémoire de sa direction initiale au bout d'un libre parcours moyen de transport (typiquement 1 mm dans les tissus). Cela constitue la limite fondamentale de la microscopie optique.Dans le cadre de cette thèse, nous souhaitons dépasser l’optique adaptative en changeant de paradigme. Inspirée par des travaux passés en acoustique, cette thèse développe une imagerie matricielle des milieux biologiques en optique. Celle-ci est basée sur la mesure d’une matrice de réflexion contenant l’ensemble des réponses impulsionnelles entre un plan d’émission et de réception, à l’aide par exemple d’un modulateur spatial de lumière en entrée et une caméra en sortie. Le principe de l'approche matricielle consiste ensuite à appliquer un ensemble d'opérations à cette matrice de réflexion pour en extraire une information pertinente sur le milieu en fonction du problème considéré. Une quantification locale des aberrations et de la diffusion multiple est ainsi possible, ce qui ouvre la voie à une imagerie quantitative du milieu. Elle permet en outre d'accéder à la matrice de transmission qui relie le système d’imagerie à l'ensemble des voxels de l’image. Cette matrice est précieuse car elle permet en post-traitement de compenser localement tous les phénomènes aberrations subies par l’onde à l’aller et au retour.Au cours de cette thèse, deux dispositifs expérimentaux ont été développés. Le premier permet de combiner l’approche matricielle et l’optique adaptative pour une correction numérique et physique des aberrations. Ce montage, dérivé de l’OCT temporel, permet de combiner les avantages de deux méthodes. De premiers résultats particulièrement encourageants ont été obtenus sur une tranche de cerveau de souris particulièrement diffusante. Le second montage est un dispositif d’imagerie matricielle polychromatique dérivé de l’OCT fréquentiel. Une matrice de réflexion multi-spectrale peut ainsi être enregistrée à une cadence rapide (1-100 Hz). L'approche matricielle permet ensuite de réaliser une image confocale tridimensionnelle de l'échantillon avec une résolution idéale et un contraste optimal en chaque voxel de l'image. La preuve de concept consiste en l’imagerie 3D d’une cornée humaine particulièrement opaque. Finalement, l’accès à un grand nombre de degrés de liberté spectraux permet d’entrevoir un contrôle spatio-temporel de l’onde lumineuse en post-traitement et ainsi une compensation des phénomènes de diffusion multiple plus complexe que les seuls photons serpentiles.

The basic principle of optical microscopy is to image the reflectivity of biological tissues from the scattered photons under a structured illumination. However, the propagation of incident and reflected light waves is often degraded by the heterogeneities of the medium itself. Theses heterogeneities can induce wavefront distortions (aberrations) and multiple scattering events that degrade the image resolution and contrast. Conventional microscopes have their penetration depth limited by the scattering mean free path (typically 10 to 200 µm in biological tissues). However, this limit has been pushed back by confocal microscopy and OCT which spatially and/or temporally filter a large part of the multiply-scattered photons. A 3D image of biological tissues can thus be obtained over a few hundred µm, but it remains strongly altered by aberrations and a predominant diffuse background. Initially developed in astronomy, adaptive optics has been transposed to microscopy to compensate for the aberrations induced by the medium heterogeneities. However, adaptive optics methods are complex to implement experimentally, limited to low-order aberrations and efficient only on the aberration invariance area. The isoplanatic patch size decreases with depth until the wave totally loses the memory of its initial direction after a transport mean free path (typically 1 mm in tissues). This is the fundamental limit of optical microscopy.In this thesis, we aim to go beyond adaptive optics by changing of paradigm. Inspired by past works in acoustics, this thesis develops a matrix imaging of biological media in optics. It is based on the measurement of a reflection matrix containing all the impulse responses between an emission and a reception plane, using for example a spatial light modulator at input and a camera at output. The principle of the matrix approach is then to apply a set of operations to this reflection matrix to extract relevant information on the medium according to the problem considered. A local quantification of aberrations and multiple scattering is thus possible, which opens a route towards a quantitative imaging of the medium. It also gives access to the transmission matrix that links the imaging system to all the voxels in the image. This matrix is valuable because it can be used in post-processing to locally compensate for all the aberrations encountered by the wave in the forward and return directions.During this thesis, two experimental setups have been developed. The first one combines matrix imaging and adaptive optics for a numerical and physical correction of aberrations. This setup, derived from Time-Domain OCT, allies the advantages of both methods. As a first ^proof-of-concept, very priomising results have been obtained on a mouse brain slice which is particularly diffusive. The second setup is a polychromatic matrix imaging device derived from Frequency-Domain OCT. A multi-spectral reflection matrix can be recorded at a fast rate (1-100 Hz). Thanks to the matrix approach we are able to realize a three-dimensional confocal image of the sample with an ideal resolution and an optimal contrast in each voxel of the image. The proof of concept consists in the 3D imaging of a particularly opaque human cornea. Finally, the access to a large number of spectral degrees of freedom paves the way towards a spatio-temporal control of light in post-processing and thus a fine compensation of multiple scattering phenomena in the medium that goes beyond the correction of snake photon trajectories.