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Thèse: Imagerie matricielle optique des milieux diffusants en régime dynamique (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mardi 3 août 2021

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Informations générales

Référence : UMR7587-ALEAUB-010
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : mardi 13 juillet 2021
Nom du responsable scientifique : Alexandre Aubry
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 4 octobre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

En imagerie ondulatoire, on cherche à caractériser un environnement inconnu en le sondant activement puis en enregistrant les ondes réfléchies par le milieu. C'est, par exemple, le principe de l'imagerie ultrasonore, ou de la tomographie par cohérence optique pour la lumière. Cependant, la propagation des ondes entre les capteurs et le plan focal est souvent dégradée par les hétérogénéités du milieu lui-même. Elles peuvent induire des distorsions du front d'onde (aberrations) et des évènements de diffusion multiple qui peuvent fortement dégrader la résolution et le contraste de l'image. Les aberrations et la diffusion multiple constituent donc les limites les plus fondamentales de l'imagerie dans tous les domaines de la physique des ondes. Dans cette thèse, nous proposons de résoudre ces deux problèmes fondamentaux (aberrations et diffusion multiple) en imagerie optique en étendant l'approche de la matrice de réflexion [1] récemment développée à l'institut Langevin à des milieux diffusants en régime dynamique.

En imagerie optique, nous sommes souvent confrontés à des milieux dont les propriétés de diffusion varient au cours du temps. C'est le cas en microcopie optique où les tissus vivants présentent un temps caractéristique de décorrélation allant de 50 ms à 2.5 s selon le niveau d'immobilisation des tissus [2]. C'est également le cas pour l'imagerie subaquatique en eau trouble. Ce temps de décorrélation est donc un problème fondamental en imagerie optique qui impose une contrainte de temps aux mesures expérimentales.

La première étape de la thèse sera de mettre en place un dispositif optique permettant de répondre à cette exigence. Pour cela, nous nous inspirerons des travaux récents de l'équipe de Wonshik Choi [3] qui a construit un dispositif expérimental dédié à la mesure ultra-rapide de matrices de réflexion de haute dimension. Ce dispositif sera couplé à un système d'optique adaptative afin d'effectuer une correction en temps réel des aberrations de bas ordre.

La deuxième partie de la thèse consistera à développer une approche matricielle dynamique de l'imagerie optique. Elle consistera à tirer profit de l'opérateur de Wigner Smith dit des temps de vol afin de discriminer les chemins de diffusion en fonction de leur temps de décorrélation [4]. D'une part, nous serons en mesure d'extraire les contributions de diffusion balistique et multiple vers l'avant, car elles sont moins sensibles aux légers mouvements que les trajectoires totalement aléatoires. D'autre part, le speckle fluctuant dans le temps sera mis à profit pour extraire de manière optimale la matrice de transmission entre les capteurs et les voxels du milieu à partir des mesures de réflexion. Une figure de speckle dynamique donne en effet accès à un grand nombre de réalisations du désordre pour chaque voxel qui peuvent être utilisées ensuite pour extraire une loi de phase d'aberration locale pour chacun de ces voxels [5]. Enfin, nous profiterons de la dépendance temporelle de la matrice de réflexion pour établir une image matricielle de la dynamique des tissus [6].

En ce qui concerne les applications d'imagerie subaquatique, une modélisation des aberrations et de la diffusion dans les environnements sous-marins sera d'abord effectuée [7,8]. Des expériences à petite échelle seront ensuite menées dans des eaux turbides à l'aide du microscope matriciel construit au cours de la première partie du doctorat. Un point clé sera d'identifier le temps de cohérence des canaux de propagation en fonction de la turbidité de l'eau. Les outils de post-traitement développés dans le contexte de la microscopie optique seront ensuite appliqués à l'imagerie subaquatique pour la détection et l'imagerie de cibles immergées dans l'eau turbide.


Dans un premier montage expérimental, cette approche par matrice de réflexion sera utilisée comme boucle de rétroaction dans un schéma de mise au point adaptatif. Cela permettra d'élargir la profondeur de pénétration au-delà du libre parcours de la moyenne de transport (1 mm dans les tissus biologiques), limite de profondeur actuelle en microscopie optique. Une image tridimensionnelle du milieu sera obtenue comme si les hétérogénéités du support en amont avaient disparu. Nous nous attendons à un contraste nettement amélioré par rapport aux techniques de l'état de l'art et à une résolution qui n'est plus limitée par l'ouverture numérique de l'objectif du microscope si nous sommes en mesure d'utiliser le milieu comme une lentille diffusante. Cette approche matricielle de l'optique adaptative sera également appliquée à la microscopie non linéaire. En corrigeant les aberrations et la diffusion multiple vers l'avant, nous serons en mesure de fournir un niveau d'énergie suffisant pour exciter les fluorophores en profondeur et repousser la limite de profondeur de pénétration actuelle en microscopie non linéaire.

Dans un deuxième montage expérimental, une approche par matrice de réflexion de la tomographie par cohérence optique dans le domaine spectral sera mise en œuvre. Cette approche permettra d'aller vers l'imagerie in vivo en temps réel de tissus biologiques. En utilisant une source à balayage spectral, nous pourrons enregistrer un grand ensemble de matrices de réflexion monochromatiques en un temps d'acquisition modéré. L'enjeu consistera alors à les combiner correctement en post-traitement afin d'optimiser la focalisation spatio-temporelle et de compenser les évènements de diffusion multiple en profondeur. Pour ce faire, nous utiliserons l'opérateur des temps de vol associé à la matrice de réflexion focalisée. Le concept de matrice de réflexion sera appliqué à l'imagerie en profondeur de tissus biologiques mais également à la cartographie quantitative de l'indice optique et du taux de diffusion multiple. Ces paramètres sont en effet des marqueurs biologiques importants pour la caractérisation des tissus biologiques.

[1] A. Badon, V. Barolle, K. Irsch, A. Boccara, M. Fink, and A. Aubry, “Distortion matrix concept for deep imaging in optical coherence microscopy,” Sci. Adv. 6, eaay7170 (2020).
[2] M. Jang, H. Ruan, I. M. Vellekoop, B. Judkewitz, E. Chung, and C. Yang, “Relation between speckle decorrelation and optical phase conjugation (OPC)-based turbidity suppression through dynamic scattering media: a study on in vivo mouse skin”, Biomed. Opt. Exp. 6, 72-85 (2015).
[3] S. Yoon, et al. “Laser scanning reflection-matrix microscopy for aberration-free imaging through intact mouse skull”. Nat Commun 11, 5721 (2020).
[4] P. Ambich et al., “Focusing inside Disordered Media with the Generalized Wigner-Smith Operator”, Phys. Rev. Lett. 119, 033903 (2017).
[5] B. F. Osmanski, G. Montaldo, M. Tanter and M. Fink, “Aberration correction by time reversal of moving speckle noise”, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59, 7, 1575-1583 (2012).
[6] C. Apelian, F. Harms, O. Thouvenin, and A. C. Boccara, “Dynamic full field optical coherence tomography: subcellular metabolic contrast revealed in tissues by interferometric signals temporal analysis”, Biomed. Opt. Exp. 7, 1511-1524 (2016).
[7] M.V. Jamali et al., "Statistical Studies of Fading in Underwater Wireless Optical Channels in the Presence of Air Bubble, Temperature, and Salinity Random Variations," in IEEE Transactions on Communications 66, 4706-4723 (2018).
[8] S. Matt, W. Hou, W. Goode, and S. Hellman. “Introducing SiTTE: A controlled laboratory setting to study the impact of turbulent fluctuations on light propagation in the underwater environment”, Opt. Exp. 25, 5662-5683 (2017).

Contexte de travail

Cette thèse se déroulera à l'institut Langevin (1 rue Jussieu - 75005 PARIS) dans l'équipe "Approche matricielle de l'imagerie des ondes". Cette thèse est cofinancée par l'ERC REMINISCENCE et par l'ONERA.

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