Imageries optiques non conventionnelles pour la biologie

Ce chapitre présente l’intérêt d’analyser la forme d’un front d’onde dans le plan image d’un microscope optique pour en déduire un ensemble de propriétés d’échantillons transparents. On produit ainsi des cartes d’épaisseur optique conduisant à un contraste marqué, ou encore l’imagerie sélective de composants optiquement anisotropes. Surtout, la méthode est quantitative et permet certaines mesures, comme le suivi de la masse sèche de cellules biologiques vivantes.

Depuis qu’elle a été proposée par Denis Gabor en 1948, l’holographie a suscité un croissant dans des domaines variés. La méthode étant résolue en phase optique, elle permet d’accéder, sans marquage, à une information tridimensionnelle sur les échantillons, ce qui en fait une méthode de choix en imagerie biologique. Ce chapitre sera l’occasion de présenter les grands principes régissant la méthode et les principales configurations expérimentales.

Ce chapitre est une introduction aux principes des méthodes inverses avec une attention particulière au cas de la reconstruction d'image en holographie numérique qui sert d'exemple d'application et de fil conducteur. Sont abordés les problèmes liés au modèle de formation des données (non-linéarité, troncature du champ, bruits de mesure,...) ainsi que les différents a priori permettant de résoudre ces problèmes.

La microscopie holographique en ligne permet l'observation d'échantillons microscopiques transparents, d’où son intérêt en microbiologie. L'information accessible de phase et d'absorption requiert des algorithmes de reconstruction robustes, à élaborer en lien étroit avec le design optique du montage. Ce chapitre propose de faire un état de l'art dans ce domaine, en s'appuyant principalement sur la méthodologie des problèmes inverses.

La microscopie tomographique est une extension de l’holographie numérique, présentant une meilleure résolution. Sans marquage, et donc complémentaire à l’imagerie de fluorescence, elle permet de mesurer quantitativement l’indice optique complexe d’un échantillon. Ce chapitre décrit les configurations courantes, et détaille les principes physiques permettant l’acquisition des données et les approches numériques pour la reconstruction des images.

La microscopie interférométrique est aujourd’hui une technique mature de métrologie optique sans contact permettant d’accéder à diverses informations en surface ou volume. Ce chapitre décrit les principes, la théorie sous-jacente, les algorithmes, l’instrumentation et les performances. Des extensions possibles comme la tomographie, la spectroscopie locale et les mesures à travers les microsphères, sont également discutées.

L’endoscopie est un examen médical qui permet de visualiser l’intérieur des organes creux. Ce chapitre présente les fondements du traitement d’images endoscopiques ainsi que les solutions techniques et méthodologiques les plus récentes d’acquisition de données multispectrales et/ou multimodales et de mosaïquage d’images visant à répondre aux enjeux médico-techniques d’amélioration de l’efficacité de détection in vivo des lésions.

L’imagerie computationnelle monodétecteur permet d’acquérir une image au moyen d’un détecteur ponctuel, ce qui en fait une méthode de choix pour l’imagerie spectrale dans le visible ou l’infrarouge. Ce chapitre donne un aperçu de l’évolution de cette approche au cours des dernières décennies, notamment en ce qui concerne les algorithmes de reconstruction.