Academic literature on the topic 'Microscopie ptychographique de Fourier'

La pathologie numérique constitue aujourd'hui un outil fondamental pour le diagnostic médical, exploitant les avancées technologiques en matière de numérisation pour transformer les échantillons biologiques en données numériques, facilitant ainsi leur visualisation et leur analyse. Cependant, ces méthodes, souvent basées sur la microscopie conventionnelle, rencontrent des limitations qui entravent parfois leur efficacité. Dans ce contexte, des méthodes d'imagerie non conventionnelles telles que la microscopie ptychographique de Fourier (FPM) offrent des perspectives prometteuses pour surmonter ces limitations. En effet, la FPM offre un accès à la phase en complément de l'intensité et permet d'examiner un large champ de vision à haute résolution à un coût de conception raisonnable. Cette thèse explore le potentiel de la microscopie ptychographique de Fourier dans l'analyse des frottis sanguins minces. Plusieurs résultats ont été obtenus grâce à une approche multidisciplinaire intégrant l'apprentissage en profondeur et la microscopie. Nous nous concentrons d'abord sur le problème limité de la détection des parasites pour le diagnostic du paludisme. L'exploitation conjointe de l'intensité et de la phase permet d'améliorer les performances d'un détecteur de réseau neuronal profond. À cette fin, un CNN à valeurs complexes a été introduit dans l'architecture Faster-RCNN pour une extraction efficace des caractéristiques. Ensuite, nous examinons une application plus complexe, à savoir la classification des globules blancs, où les avantages de l'exploitation conjointe de l'intensité et de la phase ont également été confirmés. Nous nous intéressons également au problème du déséquilibre des classes rencontré dans cette tâche, nous proposons un nouveau modèle GAN informé par la physique dédié à la génération d'images d'intensité et de phase. Ce modèle évite le problème de mode collapse rencontré avec l'implémentation habituelle des GAN. Enfin, nous considérons l'optimisation de la conception du microscope FPM. À cette fin, nous explorons des stratégies combinant simulations, réseaux neuronaux et modélisation de la formation d'images. Nous démontrons que la FPM peut utiliser des résolutions faibles sans compromettre significativement les performances. Cette thèse souligne l'intérêt d'adapter l'apprentissage automatique en lien avec les principes de la microscopie et met en évidence le potentiel de la microscopie ptychographique de Fourier pour les futurs systèmes de diagnostic automatisés
Digital pathology presents today a fundamental tool for medical diagnosis, exploiting technological advances in digitalization to transform biological samples into digital data, thus facilitating their visualization and analysis. However, these methods, often based on conventional microscopy, encounter limitations that sometimes hinder their effectiveness.From this perspective, unconventional imaging methods such as Fourier ptychographic microscopy offer promising prospects for overcoming these limitations. Indeed, FPM offers access to the phase in complement of the intensity and allows examining a large Field of View at a high resolution at a reasonable design cost.This thesis explores Fourier ptychographic microscopy (FPM) 's potential in thin blood smear analysis. Several results have been obtained thanks to a multidisciplinary approach integrating deep learning and microscopy.We have first focused our attention on the problem of limited complexity of parasite detection for malaria diagnosis. The joint exploitation of intensity and phase is shown to improve the performance of a deep network detector. To this end, a complex-valued CNN has been introduced in Faster-RCNN architecture for efficient feature extraction.Secondly, we have considered a more complex application, namely the classification of white blood cells, where the benefits of joint exploitation of intensity and phase were also confirmed. Furthermore, to reduce the imbalance of classes encountered in this task, we propose a novel physics-informed GAN model dedicated to generating intensity and phase images. This model avoids the mode collapse problem faced with usual GAN implementation.Finally, we have considered optimizing the FPM microscope design. To this end, we explore strategies combining simulations, neural networks, and image formation modeling. We demonstrate that FPM can use low resolutions without significantly compromising performance.This thesis underscores the interest in tailoring machine learning in connection to microscopy principles and highlights the potential of Fourier ptychographic microscopy for future automated diagnosis systems

Nous avons développé un microscope tomographique diffractif en réflexion, qui permet d’observer la surface d’un échantillon avec une résolution latérale améliorée comparée à un microscope holographique conventionnel. À partir des même données expérimentales (les hologrammes acquis sous différents angles d’illumination), des mesures à haute précision longitudinale peuvent être réalisées sur la surface d’un échantillon purement réfléchissant, par reconstruction du profil de hauteur à partir de la phase. Cette méthode d’imagerie multimodale présente plusieurs avantages comparée aux mesures en holographie interférométrique classique : amélioration de la résolution latérale sur la partie diffractive, déroulement de phase facilité, réduction du bruit cohérent, l’ensemble étant associé à la grande précision longitudinale fournie par les mesures de phase. Nous montrons ces possibilités en imageant divers échantillons minces
We have developed a tomographic diffractive microscope in reflection, which permits observation of sample surfaces with an improved lateral resolution, compared to a conventional holographic microscope. From the same set of data, high-precision measurements can be performed on the shape of the reflective surface by reconstructing the phase of the diffracted field. doing so allows for several advantages compared to classical holographic interferometric measurements: improvement in lateral resolution, easier phase unwrapping, reduction of the coherent noise, combined with the high-longitudinal precision provided by interferometric phase measurements. We demonstrate these capabilities by imaging various test samples

Ce travail est une contribution à la microscopie acoustique, large bande. II présente un aspect assez fondamental, du fait de la part importante consacrée à la modélisation des phénomènes acoustiques et à leur validation. Nous nous sommes intéressés à l'étude des réponses échographiques de transducteurs focalisés de très forte ouverture angulaire lorsqu'ils sont placés en face d'un réflecteur plan, immergé dans de l'eau. Deux modélisations de la réponse échographique du transducteur, l'une directement dans le domaine temporel, l'autre par synthèse des réponses harmoniques, ont été développées. Ces deux approches différentes conduisent à des résultats identiques. La méthode d'intégration directe exploite des fonctions de Green temporelles pour le champ acoustique réfléchi. Cette approche imposant un calcul très long compliqué, nous avons eu recours à une méthode de synthèse harmonique qui s'est avérée plus efficace. L'étude préalable du régime harmonique nous a conduit à une expression intégrale des courbes V(z), qui met clairement en évidence la fonction pupille exacte de coupelles uniformes ou non. A partir de ce modèle harmonique, la réponse échographique impulsionnelle a été obtenue par transformée de Fourier inverse analytique. Les réponses calculées sont en excellent accord avec les résultats expérimentaux obtenus à l'aide d'un transducteur concave dont l'élément actif est un film de PVDF, prouvant ainsi la validité de l'hypothèse sur l'uniformité de vibration de la coupelle. Enfin deux applications ont été présentées, démontrant l’intérêt de cette approche impulsionnelle
This work is mainly a fundamental contribution to the wide band acoustic microscopy, due to the important part devoted to the modeling of acoustic phenomena and to their validation. We have been interested in the study of the impulse choreographic responses produced by large aperture spherical transducers immersed in water, in front of various solid plane reflectors. Two models were developed in order to predict these responses, the first operates directly in the time domain and the second makes use of the harmonic synthesis. These two methods lead to identical results. The temporal approach consists in adding the elementary contributions of the transient Green functions for the reflected field. This calculation is complicated and time consuming and therefore we have chosen a more efficient method based on a preliminary study in the frequency domain. For that purposed we derived a new formulation of the well-known V(z) curves, characterised by an exact expression of the pupil function for spherical caps vibrating uniformly or not. By Fourier transforming these exact harmonic results, the impulse echographic response was deduced. In the case of a semi infinite reflector, an interesting analytical expression has been obtained. The numerical simulations are in perfect agreement with the experimental results obtained with a wideband concave transducer, whose piezoelectric element is a thin PVDF film. This proves that our hypothesis, on the uniformity of the vibration of the concave surface, is satisfactory. At last, two applications were presented, demonstrating the interest of this wideband approach

La microscopie acoustique, a cours de ces derniers developpements, depasse le stade de l'observation qualitative du materiau a travers les images d'amplitudes et de phase pour atteindre une analyse quantitative des proprietes mecaniques des microstructures. Nous utilisons pour cela l'echo de vibrations mecaniques que l'on focalise sur le materiau a etudier ; il en resulte un signal spatial v(z) qui constitue la signature acoustique du materiau. On extrait de ce signal pseudoperiodique les caracteristiques mecaniques, soit par une analyse harmonique, soit en cherchant les meilleures fonctions fanalytiques approchees rendant compte des resultats. C'est pourquoi, nous avons a envisages les deux methodes suivantes: transformation de fourier completee par l'utilisation de fenetres de ponderation determination d'une fonction analytique dont les parametres sont ajustables. Afin de completer ces modeles, nous nous sommes interesses au probleme inverse qui nous permet grace a un traitement original de remonter directement au pouvoir reflecteur du materiau. Le but de cette these est d'atteindre et d'evaluer les limites de ces differentes methodes d'analyse afin de determiner avec la plus grande precision possible les proprietes elastiques du materiau et de developper un ensemble de logiciels afferents a ces mesures

Lors de ce travail nous avons étudié l'effet photodynamique (PDT) de l'Hypocrelline A (HA) sur quatre lignées de cellules cancéreuses (HeLa, Calu-1, K562, K562 RSTI571) par une approche biophysique. Nous avons combiné les informations obtenues par microscopie de fluorescence confocale, tests de cytotoxicité et microspectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) pour éclairer la physico-chimie de la PDT. La très haute sensibilité de la microscopie de fluorescence confocale permet de détecter la fluorescence intrinsèque de HA à des concentrations de l'ordre du nanomolaire, de suivre sa pénétration dans les cellules et de réaliser des cartes 3D haute résolution montrant sa distribution. La microspectroscopie IRTF est utilisée à fin de détecter des changements de la composition chimique globale de la cellule et les modifications de la structure des principaux composants cellulaires lors du traitement. L'utilisation d'une source synchrotron autorise une résolution subcellulaire qui devrait permettre de discriminer les réactions à l'intérieur des différents compartiments cellulaires tel que le noyau et le cytoplasme. Les tests de cytoxicité et l'utilisation de marqueurs fluorescents ont permis de comparer les effets des traitements croissants sur les différentes lignées cellulaires et d'optimiser les conditions de traitement pour obtenir différents types de mort cellulaire. Nous avons également montré que la combinaison de la microspectroscopie IRTF et de la microscopie de fluorescence sur un même instrument était possible et permettait de mesurer simultanément le spectre IRTF d'une cellule unique et le type de mort cellulaire qu'elle a subi. Les différentes approches utilisées dans ce travail se combinent pour montrer que HA ne pénètre pas dans le noyau mais est localisée dans le cytoplasme et accumulée autour du noyau après 24 heures d'incubation ; que les 4 lignées cellulaires réagissent de façon similaire ; que des modifications de la composition chimique des noyaux des cellules sont détectables par microspectroscopie IRTF mais que les cytoplasmes des cellules adhérentes sont trop minces pour y détecter des altérations sauf dans la région périnucléaire. Même en absence de pénétration de HA dans le noyau, la microspectroscopie IRTF permet de détecter des changements de la structure secondaire des protéines du noyau et des perturbations des membranes du réticulum endoplasmique et de l'appareil de Golgi sous l'action de espèces oxygénées réactives générées par la PDT
In this thesis, we studied the photodynamic effects of Hypocrellin A on four cancer cell lines using fluorescence microscopy, cytotoxicity tests and FT-IR microspectroscopy. As HA is a natural fluorescent substance, we used this intrinsic property to observe its localization in HeLa cells by fluorescence microscopy. The fluorescence images revealed that HA did not penetrated into the nucleus but localized in the cytoplasm and aggregated perinuclearly after 24 hours of incubation. MTT viability assay was performed to evaluate the optimum PDT conditions (HA and light dose) which induced cell death in the four cell lines HeLa, Calu-1, K562, K562 RSTI571. The dark toxicity of HA on ail cell lines is low, but is increasing dose-dependently. The phototoxicity of HA on all cell lines was increasing in both HA dose and light dose dependent manner. The light irradiation alone affected only negligibly the cell survival. HeLa cells are sensitive to HA PDT than Calu-1 cells. We found also that K562 and K562 RSTI are sensitive to HA. Moreover the synergetic effect of HA and Glivec® on K562 RSTI was observed. FT-IR microspectroscopy detected the changes in the secondary structure of proteins exhibiting an increase of beta sheets characteristics frequency affected by ROS generated from PDT. , with a predominant shoulder at around 1630 cm"1 (for the Amide I band) and 1530 cm"1 (for the Amide II band). Moreover, a slight decrease of the lipid intensity was noticed. Coupling fluorescence microscopy and FT-IR microscopy was carried out on the same instrument. Fluorescence microscopy could reveal the modes of cell death while FT-IR microspectroscopy showed effect of HA PDT on the secondary structure of proteins. All approaches carried out in this thesis revealed that even HA did not penetrate in the nucleus but there are changes in secondary structure of proteins in nucleus which can be observed by FT-IR spectromicroscopy

L'étude des écoulements, réactifs ou non, nécessite la mise en place de méthodes de diagnostics non-intrusives. Les méthodes de diagnostic optiques sont d'excellentes candidates pour répondre à ce type de problématique. Les milieux étudiés sont alors ensemencés de traceurs adaptés. S'ils sont correctement choisis, ces traceurs permettront de caractériser l'écoulement. L'utilisation de l'holographie numérique pour l'étude des écoulements offre un avantage certain par rapport à des méthodes d'imagerie classiques. En effet, elle permet d'accéder aux caractéristiques tridimensionnelles des traceurs utilisés (vitesses, tailles, position). La simplicité du montage optique utilisé pour l'enregistrement holographique rend cette technique particulièrement adaptée à l'étude des écoulements non-confinés tels que les sprays ou les jets. En revanche, dans le cadre de l'étude des écoulements confinés (écoulements canalisés par exemple), l'utilisation de l'holographie (et des méthodes de diagnostic optique en général) nécessite des modifications dans le dispositif expérimental. En effet, dans le cas d'écoulements canalisés, la géométrie cylindrique des canalisations introduit de l'astigmatisme dans le dispositif d'imagerie. Pour pouvoir étudier les écoulements canalisés et prendre en compte l'astigmatisme du montage, un modèle de simulation numérique des hologrammes est mis en place. Ce dernier permet, grâce au formalisme des matrices ABCD, de prendre en compte les paramètres géométriques la canalisation. Les hologrammes ainsi obtenus sont, ensuite, restitués par transformation de Fourier fractionnaire (TF fractionnaire). En effet, cet opérateur est adapté à la restitution des hologrammes enregistrés en lumière astigmate. De plus, il est ici prouvé que la TF fractionnaire permet effectivement de remettre au point sur les images des objets, que ceux-ci soient centrés sur l'axe optique du système ou non. Bien que l'astigmatisme puisse apparaître comme une difficulté à lever, il est possible d'en tirer partie. Ainsi, l'utilisation d'un faisceau référence focalisé dans la canalisation a permis d'isoler, de manière " tout-optique ", une région d'intérêt tridimensionnelle dans l'écoulement à étudier. Cette démarche permet ainsi d'alléger les traitements de restitution des hologrammes et offre la possibilité de sonder des volumes particuliers de l'écoulement. La généralisation de ces approches au cas des écoulements microcanalisés est discutée et appliquée, avec succès, à la visualisation de billes de latex de 5µm de diamètre situées dans un microcanal de 100µm de diamètre interne ou dans une région d'intérêt de dimensions réduites.

La technique d'acquisition compressée (compressed sensing, CS) est une nouvelle théorie pour l'échantillonnage qui fût introduite afin de permettre l'acquisition efficace de signaux compressibles. Dans cette thèse, nous avons étudié des applications pratiques de cette technique d'échantillonnage, où les acquisitions sont réalisées dans le domaine de Fourier, menant aux deux principales contributions suivantes : (i) Débruitage d'image : Les images microscopiques présentent souvent des dégradations dûs à des artefacts complexes, associés à du bruit ou encore des mauvaises conditions d'éclairage. En microscopie à fluorescence, le bruit et le photoblanchiment altèrent la qualité de l'image. Notre travail a consisté à exploiter la théorie d'acquisition compressée comme un outil de débruitage d'image. Nous avons utilisé plusieurs acquisitions aléatoires dans le domaine de Fourier, et la variation totale comme un a priori sur la parcimonie spatiale. La composition des différentes images de reconstruction correspondant aux différents ensembles de mesures aléatoires renforce la cohérence spatiale de composants du signal significatifs et per- met de décorréler les composants bruités. Nous avons étudié les relations entre la parcimonie d'un signal et les statistiques et la performance pour la réduction du bruit sous différentes conditions initiales de bruitage. Nous avons montré que la technique proposée, basée sur un a priori sur la parcimonie du signal et sur des échantillonnages aléatoires dans le domaine de Fourier, permet d'obtenir des im- ages avec un rapport signal/bruit (SNR) au pire égal à celui obtenu avec les méthodes de débruitage classiques, tout en utilisant un nombre limité d'échantillons. Sous réserve de pouvoir acquérir l'image dans le domaine de Fourier, le schéma de débruitage proposé fournirait une méthode d'acquisition rapide nécessitant un temps d'exposition moindre, réduisant les effets de photoblanchiment. (ii) Acquisition compressée en microscopie holographique : En microscopie, les données en sortie deviennent considérables, impliquant notamment l'utilisation de capteurs haute-définition (i.e. beaucoup d'échantillons par acquisition) et l'augmentation des temps d'acquisition. La théorie de l'acquisition compressée fournit des outils pour la reconstruction d'images, nécessitant moins d'échantillons que les approches classiques. Cependant, les quelques mesures nécessaires doivent être prises dans un domaine incohérent au domaine spatiale, ce qui est difficile à réaliser en microscopie conventionnelle. Nous avons tout d'abord proposé un schéma de calcul permettant l'acquisition de séquences temporelles de mesures d'amplitude dans le domaine de Fourier, et l'estimation de l'information manquante sur la phase par interpolation de spectre de quelques acquisitions complètes d'images. Cette approche a été mise en pratique dans le contexte de l'imagerie rapide, utilisée pour des cellules en mouvement. Dans un deuxième temps nous avons implanté un schéma d'acquisition compressée pratique, conçu pour l'holographie numérique. Ce schéma permet de mesurer une figure de diffraction du champ optique et reconstruire images de haute qualité à partir de seulement 7% de mesures aléatoires. L'expérience d'acquisition compressée a été étendue avec succès à l'holographie compressée rapide à acquisition unique et dans des conditions d'éclairage faible.

L’holographie numérique permet d’obtenir une information tridimensionnelle sur les écoulements. Mais, pour l’étude des écoulements canalisés, son utilisation nécessite des précautions dans le post-traitement : les canalisations cylindriques introduisent de l’astigmatisme dans le montage. Pour le prendre en compte, un modèle de simulation des hologrammes, reposant sur le formalisme ABCD, est mis en place. Les hologrammes obtenus sont restitués par transformation de Fourier fractionnaire. En effet, cet opérateur est adapté à la restitution d’hologrammes astigmates et permet de remettre au point sur l’image d’objets centrés ou non. Il est également possible de tirer partie de l’astigmatisme introduit par la canalisation. L’utilisation d’un faisceau focalisé dans la canalisation permet d’isoler une région d’intérêt 3D dans l’écoulement. L’application aux microcanalisations est discutée et l’observation de billes de latex de 5µm de diamètre situées dans un capillaire de 100µm est proposée.

La technique d'acquisition compressée (compressed sensing, CS) est une nouvelle théorie pour l'échantillonnage qui fût introduite afin de permettre l'acquisition ef- ficace de signaux compressibles. Dans cette thèse, nous avons étudié des applica- tions pratiques de cette technique d'échantillonnage, où les acquisitions sont réal- isées dans le domaine de Fourier, menant aux deux principales contributions suiv- antes : (i) Débruitage d'image : Les images microscopiques présentent souvent des dégradations dûs à des artefacts complexes, associés à du bruit ou encore des mauvaises conditions d'éclairage. En microscopie à fluorescence, le bruit et le pho- toblanchiment altèrent la qualité de l'image. Notre travail a consisté à exploiter la théorie d'acquisition compressée comme un outil de débruitage d'image. Nous avons utilisé plusieurs acquisitions aléatoires dans le domaine de Fourier, et la variation totale comme un a priori sur la parcimonie spatiale. La composition des différentes images de reconstruction correspondant aux différents ensembles de mesures aléa- toires renforce la cohérence spatiale de composants du signal significatifs et per- met de décorréler les composants bruités. Nous avons étudié les relations entre la parcimonie d'un signal et les statistiques et la performance pour la réduction du bruit sous différentes conditions initiales de bruitage. Nous avons montré que la technique proposée, basée sur un a priori sur la parcimonie du signal et sur des échantillonnages aléatoires dans le domaine de Fourier, permet d'obtenir des im- ages avec un rapport signal/bruit (SNR) au pire égal à celui obtenu avec les méth- odes de débruitage classiques, tout en utilisant un nombre limité d'échantillons. Sous réserve de pouvoir acquérir l'image dans le domaine de Fourier, le schéma de débruitage proposé fournirait une méthode d'acquisition rapide nécessitant un temps d'exposition moindre, réduisant les effets de photoblanchiment. (ii) Acquisi- tion compressée en microscopie holographique : En microscopie, les données en sortie deviennent considérables, impliquant notamment l'utilisation de capteurs haute-définition (i.e. beaucoup d'échantillons par acquisition) et l'augmentation des temps d'acquisition. La théorie de l'acquisition compressée fournit des outils pour la reconstruction d'images, nécessitant moins d'échantillons que les approches clas- siques. Cependant, les quelques mesures nécessaires doivent être prises dans un domaine incohérent au domaine spatiale, ce qui est difficile à réaliser en microscopie conventionnelle. Nous avons tout d'abord proposé un schéma de calcul permettant l'acquisition de séquences temporelles de mesures d'amplitude dans le domaine de Fourier, et l'estimation de l'information manquante sur la phase par interpolation de spectre de quelques acquisitions complètes d'images. Cette approche a été mise en pratique dans le contexte de l'imagerie rapide, utilisée pour des cellules en mou- vement. Dans un deuxième temps nous avons implanté un schéma d'acquisition compressée pratique, conçu pour l'holographie numérique. Ce schéma permet de mesurer une figure de diffraction du champ optique et reconstruire images de haute qualité à partir de seulement 7% de mesures aléatoires. L'expérience d'acquisition compressée a été étendue avec succès à l'holographie compressée rapide à acquisition unique et dans des conditions d'éclairage faible.

Le but de nos travaux est d'etendre les connaissances cristallochimiques et cristallographiques des smectites. En particulier, l'eventuelle existence d'un caractere ditrioctaedrique de ce type de materiaux argileux ainsi que l'etendue des solutions solides octaedriques seront etudiees. Pour ce faire, nous avons tente de synthetiser a 220c des smectites a systeme octaedrique ternaire (al#3#+-fe#3#+-mg#2#+). Les stoechiometries de ces dernieres ont ete choisies pour se rapprocher le plus possible des smectites naturelles. D'autres ont ete calculees de maniere a correspondre a des positions ou des lacunes sont visibles dans les diagrammes al-fe#3#+-mg de composition octaedrique des smectites naturelles. Pour analyser ces produits de synthese, nous avons utilise la diffraction des rayons x, la microscopie electronique, les spectroscopies infrarouge et mossbauer. Nous avons alors pu mettre en evidence que : - par synthese a 220c, des smectites ternaires sont obtenues pour toutes les teneurs en al#3#+, fe#3#+ et mg#2#+ (quelle que soit la composition chimique du gel de depart). L'introduction d'une faible quantite de magnesium facilite la synthese des smectites al-fe. De plus le fer et le magnesium favorisent la genese de smectites bien cristallisees quand ils sont en faible quantite dans le systeme. Ils sont cependant destructurants a plus fortes teneurs ; - le passage du domaine dioctaedrique (al#3#+ et fe#3#+) au domaine trioctaedrique (mg#2#+) se fait de facon reguliere et continue par l'association de domaines diffractants peu etendus di et trioctaedriques au sein de memes feuillets argileux. - a l'echelle du feuillet argileux, les solutions solides octaedriques ternaires dans les smectites sont donc continues et completes sur tout le domaine de composition chimique al-fe-mg.