Augmenter la profondeur de pénétration des microscopes optiques

Le microscope optique est un instrument essentiel pour la recherche en biologie, en particulier pour observer de manière non invasive des tissus in vivo. 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 induit des distorsions du front d'onde (aberrations) et des événements de diffusion multiple qui dégradent fortement la résolution et le contraste de l'image. Des chercheurs de l'Institut Langevin (CNRS/ESPCI) ont mis au point 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 astronomique, ont déjà été utilisées. Mais elles ne sont efficaces que sur une zone très limitée de l'échantillon (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 en élargissant le champ de vision. Elle commence par une détermination non-invasive de la matrice de transmission, c'est-à-dire l'opérateur mathématique qui fait le lien entre n'importe quel point à l'intérieur de l'échantillon, et son image sur le capteur de la caméra 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 sous différents angles, suivies de calculs sur un ordinateur. Le résultat est cette matrice de transmission, avec laquelle une image de l'intérieur du matériau peut être restaurée en compensant les défauts dus aux hétérogénéités. A titre de démonstration, les chercheurs ont ainsi révélé les détails d'une mire placée derrière un tissu biologique opaque (une cornée de singe souffrant d’un œdème).

L'équipe s'attache maintenant à réaliser des images 3D en profondeur dans divers tissus biologiques.  Elle travaille à réduire le temps 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 œuvre 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, 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