Approche matricielle de la tomographie à cohérence optique : Correction et quantification de la diffusion multiple

par Paul Balondrade

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Mathias Fink, Alexandre Aubry et de Claude Boccara.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Institut Langevin : ondes et images (laboratoire) et de Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Dans le domaine de l'imagerie par ondes classiques, on cherche à caractériser un milieu inconnu en le sondant de manière active puis en mesurant les ondes issues du milieu : c'est par exemple le principe de l'échographe pour les ultrasons ou de la tomographie à cohérence optique (OCT) pour la lumière. Cependant, la propagation des ondes entre le système d'imagerie et le plan focal est souvent dégradée par les hétérogénéités du milieu lui-même. Ces dernières induisent des distorsions du front d'onde à l'aller et au retour ainsi que des évènements de diffusion multiple qui peuvent fortement dégrader la résolution et le contraste de l'image. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de résoudre ces deux problèmes fondamentaux (aberrations et diffusion multiple) en développant le concept de matrice réflexion en microscopie optique. Celle-ci contient les fronts d'onde réfléchis par le milieu pour un ensemble d'illuminations focalisées en chaque point du milieu à imager. L'analyse de cette matrice permet de discriminer les aires d'isoplanétisme contenus dans le champ de vision et déterminer, pour chacun de ces zones, la correction à appliquer pour compenser les aberrations ainsi que les évènements de diffusion multiple qui ont eu lieu principalement vers l'avant (trajectoires serpentiles des photons). Les aberrations peuvent ainsi être corrigées simultanément dans l'ensemble du champ de vision. Une nouvelle image est obtenue comme si les hétérogénéités du milieu en amont avait disparu. Le contraste de l'image est fortement amélioré et sa résolution est alors seulement limitée par l'ouverture numérique de l'objectif du microscope. En outre, l'analyse de la matrice réflexion permet d'éliminer une large contribution du fond incohérent de l'image induit par des évènements de diffusion multiple se produisant en amont du plan focal et le bruit inhérent aux mesures physiques. Ces deux effets combinés (compensation des aberrations, suppression du fond incohérent) permettent de repousser notablement les limites actuelles en termes de profondeur de pénétration (1 mm en OCT dans les milieux biologiques). Ce concept de matrice réflexion sera appliqué aussi bien à l'imagerie en profondeur de tissus biologiques qu'à la rétine à travers des cornées malades ou des cristallins souffrant de cataracte. La portée de cette thèse va au-delà de l'imagerie de la réflectivité optique des tissus. Elle peut être utilisée à des fins de caractérisation du milieu en permettant une imagerie quantitative de l'indice optique à partir des lois d'aberration déterminées en chaque point du milieu. Elle peut également permettre de quantifier la diffusion multiple dans le milieu, ce qui peut constituer un bio-marqueur important pour une caractérisation quantitative de l'état de la cornée et du cristallin. Enfin, l'approche matricielle peut être utilisée à des fins de focalisation de la lumière au sein de milieux inhomogènes. L'analyse de la matrice réflexion permet d'accéder à l'ensemble des fronts d'onde permettant de focaliser de manière optimale en n'importe quel point du milieu, par exemple, pour la nécrose des tissus par laser. Expérimentalement, cette thèse va s'articuler sur le développement de deux dispositifs expérimentaux permettant une mesure directe de la matrice de réflexion : l'un sous éclairage spatialement cohérent permettant une mesure directe de la matrice réflexion et une correction physique des aberrations à l'aide d'un SLM; l'autre sous éclairage incohérent permettant une acquisition plein champ de la matrice réflexion sur des champ de vision millimétrique avec un grand nombre de degrés de liberté spatiaux/angulaires (1 million).

  • Titre traduit

    A matrix approach to optical coherence tomography: Correction and quantification of multiple scattering


  • Résumé

    In wave imaging, we aim to characterize an unknown environment by actively probing it and then recording the waves reflected by the medium. This is the principle of, for example, echographic imaging for ultrasound or optical coherence tomography for light. However, variations in the refractive index of the medium can cause the propagating waves to lose coherence with the input pulse, inducing wave-front distortions (aberrations) and/or multiple scattering events. These two effects, caused by the heterogeneities of the medium itself, constitute the main limitations on the depth and resolution of conventional wave imaging techniques. The goal of this PhD is to overcome the issues of aberration and multiple scattering by developing the concept of the reflection matrix in optical microscopy. This matrix is composed of the wavefronts reflected by the medium from each point of a set of focused illuminations within the field of view (FOV). The reflection matrix analysis gives access to the different isoplanatic areas (areas which are affected differently by the heterogeneities of the medium) of the FOV. Thanks to this analysis, we will be able to correct for the aberrations and the multiple scattering events for each isoplanatic area. A new image can then be built as if the upstream heterogeneities of the medium had disappeared, with a resolution limited only by diffraction. This matrix approach will be used for not only in-depth imaging of biological tissues, but also for the imaging of retinas through diseased corneas. This concept can be used to characterize the medium thanks to a quantitative measure of the refractive index. It can also be used to quantify multiple scattering in the medium, which can be a significant biomarker for the characterisation of the cornea or the lens of the eye. During the PhD, two experimental setups will be developed in order to measure the reflection matrix: one using a spatially coherent light source allowing a physical correction of aberrations with a SLM, and the other using an incoherent light source allowing a full field acquisition of the reflection matrix on large fields of view (millimeter scale).