Imagerie Optique Plein Champ
Tomographie Optique Cohérente (OCT)
Jean-Marie Chassot : ingénieur responsable de la plateforme OCT plein champ
Pour imager en profondeur les milieux diffusant la lumière avec une résolution micrométrique, nous développons des méthodes de tomographie optique. Bien que de la pratique de l’OCT Plein Champ soit routinière au laboratoire, cette méthode a connu des développements récents, citons :
L’ OCT plein champ dynamique qui permet d’obtenir une image de l’activité métabolique de tissus frais. Ce nouveau contraste s’impose comme un outil précieux de diagnostic peropératoire (Figure 1) ou de l’activité cellulaire rétinienne (Figure 2).
Apelian C., Harms F., Thouvenin O. and A. C. Boccara, Biomed. Opt. Express 7, 1511-1524 (2016).
Figure 1 : Metabolic image of brain metastatic tissue where cancer cells are visible as well as their dynamics. Cells form lobules that are identified by the dense rounded shape of the structure. 
Figure 2 : Dynamic imaging of the ganglion cell layer of a monkey retina. (red=> blue fastest decorrelation). The ganglion cells and their nuclei are highlighted between the axons and the capillaries. The full-field OCT allows us to reveal without marking all the cells and cell types in the different layers of the retina.
Une résolution insensible aux aberrations : nous avons pu montrer expérimentalement et théoriquement que l’utilisation de lumière incohérente spatialement conduisait à une réponse impulsionnelle dont la largeur était indépendante du niveau des aberrations. Ce résultat spectaculaire et inattendu ouvre la voie à une imagerie rétinienne à haute résolution pouvant se passer de l’optique adaptative utilisée habituellement.
P Xiao, M. Fink, and A. C. Boccara, Journal of Biomedical Optics 21(12), 121505 (2016)
Un contraste mécanique induit par le bruit : Dans la lignée de ce qui a été fait en hélio-sismologie ou en acoustique, nous avons montré comment remonter aux propriétés mécaniques locales des tissus excités par un bruit mécanique aléatoire et isotrope (comme les mouvements internes du corps humain).
L’accès profond aux tissus in vivo - Biométrie et Ophtalmologie : Des montages originaux associés à l’utilisation de caméras optimisées ont permis l’accès aux études in vivo. Dans le cas des tissus très diffusants, comme la peau, l’image des empreintes dites « internes » situées à quelques centaines de microns sous la surface a été obtenue et confirmée par l’utilisation de notre montage par 2 laboratoires étrangers (figure 3). A l’opposé, un milieu très peu diffusant, comme la cornée, a pu être observé sans contact avec une résolution cellulaire (figure 4).
E. Auksorius, and A. C. Boccara, "Fingerprint imaging from the inside of a finger with full-field optical coherence tomography," Biomed. Opt. Express 6(11), 4465-4471 (2015).
V. Mazlin, E. Dalimier, K.F. Grieve, et al. “Non-contact full-field optical coherence tomography : a novel tool for in vivo imaging of the human cornea (Conference Presentation)”, Proc. SPIE 10045, Ophthalmic Technologies XXVII, 1004519 (2017)
Figure 3 : Fingerprints after surface of a fingertip was damaged by rubbing it with sandpaper. The quality of the surface (conventional) fingerprint image (left) is significantly reduced, whereas the internal fingerprint image (right) is highly contrasted.
Figure 4 : Full-field OCT image of the human cornea in vivo. Layer depth is marked in red. Corneal layers, located at different depths (from 0 µm to 140 µm deep), are seen in a single en face image due to the curvy shape of the cornea.
Figure 5 : In vivo human retinal imaging of near periphery at 6° eccentricity inferior to the foveal center with a field of view of 2.4°×2.4°. (a) The Spectral Domain OCT (SDOCT) cross-sectional image of the imaging position with the red (RNFL : retinal nerve fiber layer) and blue (IS/OS : inner/outer segment of photoreceptors layer) dashed lines indicating the FFOCT imaging depth. (b) Fundus photography with the black box indicating the FFOCT imaging area and the green dashed line showing the SDOCT scanning position. (c-d) In vivo Full Field OCT image of at 6° inferior to the fovea, at the RNFL (c) and IS/OS photoreceptor layers (d) without Adaptive Optics (AO). (e) The 2D power spectra of (d) showing the Yellot’s ring, the radius of which is related to the cone photoreceptor spacing. (f-h) The AO retinal camera image around the RNFL (f) and IS/OS photoreceptor layer (g) at the same retinal location and the 2D power spectra (h) of (g). Scale bar : 100 µm..
Enfin pour la détection de nano particules (ex : virus et vésicules) nous avons mis au point et breveté une méthode sensible (basée sur une détection interférométrique sensible « common path » de lumière diffusée permettant de suivre leur mouvement Brownien dans un environnement liquide. Une startup est en cours de création sur le sujet.
M. Boccara, Y. Fedala, C. Venien Bryan, M. Bailly-Bechet, C. Bowler, and A.C. Boccara, “Full-field interferometry for counting and differentiating aquatic biotic nanoparticles : from laboratory to Tara Oceans”, Biomedical Optics Express Vol. 7,Issue 9, pp. 3736-3746 (2016).
Patent : Méthode et dispositif de détection optique de nanoparticules dans un échantillon fluide, WO 2016055306 A1 2015 Albert Claude Boccara, Martine Boccara. (Brevet Français + PCT)
Holographie numérique
Nos instruments d’imagerie holographique sont conçus et optimisés pour la mesure à haut débit en très faible lumière. Leurs applications vont de la vibrométrie à la micro-rhéologie. La visualisation d’images acquises par interférométrie holographique nécessite un calcul de propagation d’ondes optiques. Nous avons développé Holovibes, un logiciel de rendu d’images holographiques en temps réel par calculs sur carte graphique (GPU). Ce logiciel a été validé pour l’imagerie laser Doppler, la vibrométrie, la microscopie, et l’OCT.
Real-time rendering of Gabor holograms of C. elegans worms in water by propagation of the angular spectrum of interferograms recorded with a common-path digital holographic microscope.
Real-time rendering of digital Gabor holograms of an absorptive USAF 1951 resolution target by propagation of the angular spectrum of interferograms recorded with a digital holographic microscope (DHM).
Real-time holographic swept-source OCT of a sample of 1.5 mm silica beads wrapped with tape. A composite XY image is displayed by additive color from RGB frequency bands.
Real-time hologram rendering and short-time Fourier transformation (STFT) for imaging transient vibrations in a guitar.
Imagerie d’ondes acoustiques de surface Nous avons développé une méthode pour l’imagerie en bande étroite d’ondes acoustiques de surface par holographie stroboscopique accordable en fréquence. L’originalité est de faire usage d’un oscillateur local multiplexé pour traiter plusieurs bandes latérales optiques dans la bande passante temporelle d’une caméra. Cette méthode permet la mesure absolue d’amplitudes de vibration avec une sensibilité sub-nanométrique et peut être utilisée, par exemple, pour mettre en évidence des délaminations locales dans les plaques composites de type sandwich.
Imagerie laser Doppler holographique du flux sanguin Avec une caméra vidéo, l’holographie permet l’imagerie sélective en fréquence dans la gamme des basses radiofréquences en combinaison avec un éclairage stroboscopique. L’imagerie de l’hémodynamique microvasculaire a été démontrée chez le rongeur avec une lumière laser sans marqueur exogène.
Lateral motion compensation from intensity-based registration of digital holograms of the retina reconstructed in real time by Fresnel transform.
L’imagerie ultra-rapide du flux sanguin microvasculaire a également été démontrée, jusqu’à une cadence d’acquisition d’image de 75 kHz. Nous avons constaté que des contrastes des dynamiques locales émergent des enveloppes des transformées de Fourier rapides des hologrammes et de leurs inter-corrélations. Cette approche permet l’imagerie du flux sanguin dans les vaisseaux de la rétine et du cerveau.
High speed optical holography of retinal blood flow, M. Pellizzari, M. Simonutti, J. Degardin, J.-A. Sahel, M. Fink, M. Paques, M. Atlan, Optics Letters Vol. 41, Issue 15, pp. 3503-3506 (2016).
In vivo laser Doppler holography of the human retina. Puyo, L., et al. Biomedical optics express 9.9 (2018) : 4113-4129
