EP4665203A1 - Dispositif et procédé pour l'imagerie d'un objet diffusant - Google Patents

Dispositif et procédé pour l'imagerie d'un objet diffusant

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Publication number
EP4665203A1
EP4665203A1 EP24704227.8A EP24704227A EP4665203A1 EP 4665203 A1 EP4665203 A1 EP 4665203A1 EP 24704227 A EP24704227 A EP 24704227A EP 4665203 A1 EP4665203 A1 EP 4665203A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
field
image
sensor
illumination
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24704227.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Serge MEIMON
Pedro BARACAL DE MECE
Olivier Thouvenin
Léa KRAFFT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville de Paris ESPCI
Universite Paris Sciences et Lettres
Original Assignee
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville de Paris ESPCI
Universite Paris Sciences et Lettres
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Superieure de Physique et Chimie Industrielles de Ville de Paris ESPCI, Universite Paris Sciences et Lettres filed Critical Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Publication of EP4665203A1 publication Critical patent/EP4665203A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/102—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for optical coherence tomography [OCT]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/1025—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for confocal scanning

Definitions

  • the present invention relates to a device for imaging a scattering object. It also relates to a method for imaging such an object.
  • the field of the invention is, in a non-limiting manner, that of imaging of diffusing media or objects, such as biological tissues.
  • Incoherent techniques can be based on direct reflectance imaging or on phase and absorption imaging.
  • Reflectance imaging is any type of imaging based on an intensity contrast, from the quantity of light, either reflected or backscattered by one or more structures of the sample.
  • Coherent techniques are based on interferometric measurements.
  • Incoherent imaging techniques are usually based on direct measurement of reflectance.
  • the photons backscattered by the eye are measured with a camera.
  • This is a fast technique that allows all photons to be recorded in parallel. Indeed, the entire field of view is illuminated in parallel, and the recording of photons from this field of view can be done in parallel or by a rolling shutter of the camera. In both cases, the contrast of the image obtained is the same and the measurement is not very sensitive. In any case, and more generally, in the full field the photons are recorded by a 2D camera.
  • confocal imaging techniques measurements are performed point by point with a scanning system to obtain a two-dimensional image.
  • Confocal filtering is performed to filter out photons coming from depths other than that of the measured object and multiple scattered photons, which therefore allows imaging with better contrast and a better signal-to-noise ratio.
  • the single-point scanning technique suffers from a low acquisition speed due to scanning.
  • distortion artifacts may be present in such a scanning system especially when the imaged object is moving, such as the retina imaged in vivo.
  • the axial resolution of these techniques depends on the numerical aperture of the measuring system.
  • Coherent imaging techniques are generally based on interferometric measurement of backscattered light.
  • An important coherent technique is optical coherence tomography ( OCT ).
  • OCT optical coherence tomography
  • OCT allows imaging, among other things, complex scattering biological tissues by selecting an imaging depth by low coherence interferometry. In this case, the axial resolution depends on the spectral width and no longer on the numerical aperture.
  • the invention aims to solve the drawbacks of the prior art described.
  • the imaging device according to the present invention makes it possible to combine the advantages of a bright-field configuration and a dark-field configuration of an imaging device.
  • the device according to the invention makes it possible to perform bright-field and dark-field imaging, the two configurations being independent of each other.
  • the device according to the invention makes it possible to produce images only in bright field or only in dark field, or both.
  • the rolling shutter of the sensor acts as a real-time spatial filtering, making it possible to limit the rate of multi-scattered photons extending over the entire field of view, and consequently, to increase the contrast of imaged structures in the illuminated region compared to the contrast obtained in the same region during a complete illumination of the field of view.
  • Sequentially illuminating the different parts of the field of view by filtering for each zone the photons coming from the non-illuminated zones thus makes it possible to reconstruct images of the field of view with an improved contrast.
  • the detection sensitivity is considerably increased compared to a full-field configuration without filtering. No additional digital filtering during image processing is necessary. An image with high contrast and signal-to-noise ratio can therefore be displayed in real time.
  • the device For a given exposure time, only part of the field of view is detected, the other pixels of the sensor being made insensitive to light by the rolling shutter. To form an image of the entire field of view, the light line is scanned over the entire field of view, and a complete image is formed from all the lines captured and filtered.
  • the device has an illumination line with a thickness taking into account the scattering characteristics of the object and the temporal constraints of the acquisition (for example, eye movements). This is either only the illuminated area in order to capture the photons backscattered by the object (bright field detection), or an area next to the illuminated area making it possible to detect multi-scattered photons refracted by weakly reflective structures (dark field detection).
  • the device according to the invention thus makes it possible to perform bright-field imaging.
  • the illumination is synchronized with the rolling shutter (or dynamic digital diaphragm) so that only the pixels exposed at each time step are illuminated by light backscattered by the object, that is, only the pixels corresponding to the illuminated area are actually read.
  • bright-field imaging makes it possible to obtain images of diffusing structures with very good contrast.
  • the imaging speed in this configuration is the same as in a full-field configuration, while increasing the detection sensitivity thanks to spatial filtering.
  • reflectance contrast images can be obtained.
  • the device according to the invention also makes it possible to perform dark field imaging.
  • the illumination is synchronized with the rolling shutter so that the pixels exposed at each time step are not illuminated by the light backscattered by the object, but by multi-scattered light.
  • the pixels actually read at each time step therefore correspond to non-illuminated areas.
  • the sensor thus only captures light scattered several times.
  • This configuration makes it possible to detect phase gradients, and therefore to observe quasi-transparent structures, invisible in direct imaging (bright field).
  • absorption and/or phase contrast images can be obtained.
  • the device is configured to image an object or sample in both bright field and dark field, and to exploit the measurements obtained according to the two synchronization modes.
  • the transition from one synchronization mode to the other is achieved by a simple adjustment of the time offset between the rolling shutter of the sensor and the scanning means, without any mechanical manipulation by an operator being necessary.
  • different types of full-field images can be obtained of the same object or the same area of the object.
  • Synchronizing the line-shaped illumination scanned across the object with the sensor's rolling shutter enables selective line-by-line detection of the sensor without any loss of frame rate.
  • the device according to the invention it is possible to easily switch from a bright field configuration, allowing measurements of reflectance contrast of high-contrast structures, to a dark field configuration, with offset detection, allowing measurements of phase contrast and/or absorption.
  • the exposure time of the sensor is ideally increased.
  • the offset is 0 and the exposure time can be 50 ⁇ s.
  • the offset can increase, for example, to 100 ⁇ s, and the exposure time to 200 ⁇ s.
  • the device according to the invention thus makes it possible, compared to state-of-the-art systems, to maintain the imaging rate of a full-field system, without spatial filtering, while increasing the sensitivity of detection.
  • the illumination and the detection are decoupled, or independent, from each other. Thanks to the presence of a two-dimensional sensor with the rolling shutter, the detection line on the sensor is not in a fixed position, it is not necessary to "un-scan" the line under detection, that is to say to go back through the scanning means to cancel the angle introduced as is the case for a one-dimensional detector. It is then easy, with a simple time delay, to detect a signal outside the illuminated area of the object to obtain the phase and absorption contrasts. This makes it possible to quickly switch from one synchronization mode to the other.
  • the device according to the invention is robust with respect to the non-linearity of the scanning means, which may result from the mechanical constraints of these means, and to the optical aberrations introduced by them, which may respectively cause artifacts and a loss of spatial resolution. Due to the decoupling between illumination and detection, the non-linearities of the means for scanning the light beam can cause a time delay between illumination and detection and thus loss of the signal. When there is no signal, it is then possible to directly observe the non-linearity of the scanning system, which is not possible in confocal or line imaging. Indeed, in confocal and line systems, since illumination and detection are coupled, the non-linearities of the scanning system cause an artifact of distortion of the structure of the imaged object.
  • the time delay to switch from one mode to another is typically a few microseconds.
  • a high imaging rate is particularly important in the case of eye imaging, to overcome distortion artifacts induced by eye movements.
  • High sensitivity allows the detection of less reflective structures, such as individual cells and their organelles.
  • the two-dimensional sensor can be, for example, a CMOS ( complementary metal oxide semiconductor) camera.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • metal oxide semiconductor according to Anglo-Saxon terminology).
  • the synchronization module may be configured to operate in the first synchronized mode and the second synchronized mode for the entire field of view.
  • the image processing module can be configured to produce a phase contrast image from at least two dark field images.
  • the image processing module may be configured to produce an absorption contrast image from at least two dark field images.
  • the device according to the invention may further comprise an adaptive optics module configured to correct static and/or dynamic defects experienced by the wavefront of the illumination passing through the object.
  • the adaptive optics module ensures that static and/or dynamic defects imposed on the wavefront by the object or sample and/or by the optical surfaces of the device can be effectively corrected.
  • This correction is particularly important when the object to be imaged is moving and the wavefront undergoes rapidly evolving aberrations, such as the human eye.
  • the correction makes it possible to maintain a high resolution for the device even in the presence of defects or disturbances.
  • Adaptive optics also ensures that the illumination remains in the form of a line and does not spread out, so as not to limit the contrast that can be obtained with the device by masking the phase signal by the direct signal of the spread line. It also ensures that the overlap between the size of the light line and the rolling shutter is optimal.
  • the adaptive optics module thus guarantees both the correct dimension of the light line on the object to be imaged and the imaging quality of the structures of interest.
  • the illumination module may comprise a point light source coupled to a line generating lens.
  • the illumination module may comprise an extended light source coupled with a line-shaped spatial filter, or with a digital micromirror array device , DMD).
  • DMD digital micromirror array device
  • the light source can be an infrared source.
  • infrared wavelengths are only very poorly absorbed by biological tissues, they are particularly suitable for imaging such tissues.
  • the light source may be a superluminescent diode (SLD).
  • SLDs have the advantage of being relatively powerful (a few milliwatts) and having high directivity.
  • speckles i.e., granular intensity distributions, to be attenuated.
  • the line-generating lens can be, for example, a cylindrical lens or a Powell lens.
  • a Powell lens ensures a homogeneous intensity distribution along the generated light line.
  • a method for imaging a diffusing object.
  • the method is implemented by an imaging device comprising an illumination module, scanning means, a two-dimensional sensor comprising a rolling shutter, a synchronization module and an image processing module, and in particular by an imaging device according to the present invention.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • the synchronization and detection steps can be performed alternately to produce a bright field image and to produce a dark field image successively.
  • the method according to the invention can further comprise a step of producing a phase contrast image from at least two dark field images.
  • the method according to the invention may further comprise a step of producing an absorption contrast image from at least two dark field images.
  • the method according to the invention may also comprise a step of correcting static and/or dynamic defects suffered by the wavefront of the illumination passing through the object.
  • an adaptive optics module can be implemented as described above.
  • the device and method according to the invention can be implemented in numerous applications requiring the imaging of structures, objects or scattering samples, such as biological or medical imaging, underwater imaging, through mist or fog, against a cloud background, or even the non-destructive testing of materials (for example, glass fibers).
  • the device and method according to the invention make it possible to observe most of the structures of interest in a retina, whether they are highly backscattering such as cones, rods, or weakly scattering, such as ganglion cells and blood capillaries.
  • the high achievable rates and the wide imaged field of view make it possible to meet a medical need to scan the largest possible area while limiting the imaging time for the patient.
  • the high rate also makes it possible to image blood flow in capillaries present in the retina.
  • Device 1 as shown in the , can be implemented to carry out the steps of an imaging method according to the present invention. Exemplary embodiments of the device and the method according to the invention will be described below.
  • the device 1 comprises a linear illumination module 2, scanning means 12 and a two-dimensional image sensor 14.
  • the linear illumination module 2 makes it possible to produce a line-shaped illumination of the object 20 or the sample to be imaged.
  • An example of such an illumination module is illustrated in FIG. .
  • the illumination module 2 comprises a collimated point light source 3 and a line generating lens 5.
  • the line generating lens 5 is preferably a Powell lens.
  • the lens 5 may also be a cylindrical lens.
  • the light source 3 is a two-dimensional source.
  • the source has a broadband emission and a low temporal coherence length. For example, it may emit at a wavelength of 850 nm with a spectral bandwidth of 55 nm.
  • the output of the light source 3 can be fibered, coupled to a collimator (not shown).
  • the output of the source 3 can also be non-fibered, in which case the collimator is not necessary.
  • the light source 3 may be, for example, a superluminescent diode (SLD).
  • SLD superluminescent diode
  • Beam 7 from source 3 passes through Powell lens 5 which converts the collimated beam into a divergent beam of linear section.
  • the converted beam has an opening angle in one direction but remains collimated in the orthogonal direction.
  • an achromatic doublet 6 positioned at the output of the illumination module 2 makes it possible to limit the illumination field in the direction in which the beam 7 is divergent, in order to minimize power losses.
  • a luminous line is formed on the image focal plane of the lens.
  • a slit 13 can be placed in the image focal plane of the achromatic doublet 6, this focal plane being conjugated to the plane of the object or sample to be imaged.
  • the illumination beam 7, coming from the illumination module 2, is directed towards the object 20 by means of a semi-transparent mirror 8 so that the object is illuminated with the generated light line.
  • the illumination beam 7 is focused, in the direction of the width of the light line, in or on the object 20 using a lens 16.
  • the light diffused 11 by the object 20 passes back through the semi-transparent mirror 8 to be detected by the sensor 14.
  • the eye plays the role of the lens 16.
  • the light line is scanned over the object 20 to be imaged, in the field of view, using the scanning means.
  • the illumination beam 7 is directed towards a galvanometric mirror 12.
  • the latter directs the light beam 7 towards the object 20 at a variable angle (indicated by a two-way arrow in the ), allowing the entire field of view to be scanned with the light line formed by the illumination module 2.
  • the scanning amplitude can be adjusted to provide a determined field of view.
  • the scanning frequency of the galvanometric mirror is identical to the frequency of acquisition of full-field images over the field of view. For example, images over the entire field of view can be acquired with a frequency of 200 Hz for typically 1000 rows of pixels.
  • the illumination of the object 20 must be in the form of a line in the image focal plane, and the galvanometric mirror 12 must be in the pupil plane so that the angle of the mirror 12 allows a change in position of only the light line on the object.
  • Two lenses 17, 18 arranged on either side of the galvanometric mirror 12 allow a change from an image plane to a pupil plane.
  • the two-dimensional sensor 14 of the device 1 according to the invention is configured to detect the light scattered 11 by the object 20.
  • the sensor 14 comprises a rolling shutter.
  • This shutter is an electronically controllable shutter. It is in particular possible to adjust the width of the shutter in order to define the number of rows or lines of pixels of the sensor 14 which are exposed.
  • the exposure time per row of pixels of the sensor 14 is constant.
  • the speed of the rolling shutter is in particular defined by the frame rate of the sensor 14.
  • Sensor 14 is for example a CMOS camera.
  • the device 1 comprises a synchronization module (not shown) for managing the synchronization mode between the scanning means and the rolling shutter of the sensor 14.
  • a first and second synchronization mode are schematically illustrated in Figures 3 and 4, respectively.
  • the field of view of the sensor is represented by a 15 x 9 pixel matrix 31.
  • the backscattered light line 32 on the sensor is illustrated by a gray background.
  • the rolling shutter exposing the three rows of pixels is illustrated by a thick-line rectangle 33.
  • the time lag between the scanning means and the rolling shutter is zero.
  • the sensor captures the area of the object illuminated by the light line, it then detects the light backscattered by the object. This is bright-field detection.
  • the operating principle of the first synchronization mode is illustrated in the .
  • the light directly backscattered, in line form, by the object is detected by the rows of pixels 31 of the sensor exposed by the rolling shutter.
  • an electronic trigger signal of the TTL ( transistor-transistor logic ) type can be generated and sent to the sensor, synchronously with a linear voltage signal, of the sawtooth type generated and sent to the galvanometric mirror, for example with an analog output card.
  • the shutter has a width corresponding to the width of the light line and the center of this line must coincide with the center of the rows of pixels exposed by the shutter.
  • the backscattered light line 32 illuminates three rows of pixels 31 on the sensor.
  • the rolling shutter speed is t i per row.
  • the exposure of the first row of pixels begins at time t 0 , which corresponds for example to the rise of the trigger signal.
  • the exposure of the next row of pixels begins after t i , and so on until the last row of pixels in the image.
  • the exposure time is, for example, 50 ⁇ s, for an acquisition frequency of 200 Hz. This corresponds to leaving each line exposed for the equivalent of 10 pixel rows. For an illumination line width of 10 pixel rows on the 14 sensor, choosing an exposure time of 50 ⁇ s is optimal. For a field of view of 1000 pixel rows, this corresponds to an acquisition time of 5.05 ms per image.
  • a complete image is acquired when all the pixels corresponding to the field of view, i.e. the 1000 rows, have been exposed, that is, in 5.05 ms.
  • the galvanometric mirror returns to its initial position before acquiring a new image, or to a position allowing a given advance or delay to be added between the light line and the rolling shutter.
  • the images obtained using this first synchronization mode are reflectance contrast images.
  • the time offset between the scanning means and the rolling shutter is non-zero.
  • the sensor captures a light signal coming from an unilluminated area of the object. This is the light multi-scattered by the object, and therefore a dark field detection.
  • the operating principle of the second synchronization mode is illustrated in the .
  • the light directly backscattered, in line form, by the object is not detected by the sensor.
  • the rolling shutter of the sensor is temporally offset relative to the galvanometric mirror (and thus the light line 32 on the sensor) by a time of 3 t i .
  • the rolling shutter 33 is ahead of the illumination. In the plane of the figure, the exposed pixels are then below the illuminated pixels.
  • the backscattered light line 34 illuminates two rows 32 of pixels 31 on the sensor, and the rolling shutter speed is t i per row. Exposure of the first row of pixels begins at time t 0 , which corresponds for example to the rise of the trigger signal. Exposure of the next row of pixels begins after t 0 , and so on until the last row of pixels in the image.
  • the rolling shutter also exposes two rows 35 of pixels, offset by three rows relative to the illuminated rows 32 .
  • the rolling shutter can also be delayed relative to the illumination.
  • the images obtained using this second synchronization mode are dark field images, from which phase contrast and absorption images can be generated.
  • FIGS 5(b) and 5(c) Two examples of dark-field images are shown in Figures 5(b) and 5(c).
  • the two images correspond to two different time offsets between detection and illumination (“Offset 1” and “Offset 2”). In particular, these are opposite time offsets.
  • the synchronization module is configured to operate in the first and second synchronization modes, combining bright-field and dark-field imaging to improve the quality of imaging by the device.
  • two dark-field images also representing phase contrast images
  • One of the two original images is captured with a positive time shift between the shutter and the scanning means, and the other original image with a negative time shift.
  • the time shifts preferably have the same value, but only change sign.
  • two dark-field images can be added together.
  • One of the two original images is captured with a positive time shift between the shutter and the scanning means, and the other original image with a negative time shift.
  • phase contrast On the (d) (“Phase contrast”) is shown a phase contrast image, corresponding to two subtracted phase contrast images.
  • image 5(d) corresponds to the subtraction of image 5(b) from image 5(c).
  • absorption contrast shows an absorption contrast image, corresponding to two phase contrast images added together.
  • image 5(e) corresponds to the addition of images 5(b) and 5(c).
  • Scanning and synchronization parameters such as the electronic trigger signal, the width and speed of the rolling shutter or the various time shifts implemented, can be controlled via a user interface.
  • the device 1 also comprises an adaptive optics module 15.
  • the illumination beam 7 passes through the adaptive optics module 15 before arriving at the object 20.
  • the adaptive optics module 15 makes it possible to measure and correct an aberrated wavefront, for example due to deformations of the wavefront induced by the observed object, and therefore to improve the resolution of the images.
  • the adaptive optics module 15 comprises a light source (called an analysis source) such as a fibered superluminescent diode, a wavefront sensor, for example of the Shack-Hartmann type, and a deformable mirror.
  • the wavelength or spectral band of the analysis source is preferably different from that of the source 3 used for imaging; otherwise, spectral filters can be used to separate the sources.
  • the beam of the light source is directed towards the object.
  • the deformed wavefront of the light backscattered by the object is directed towards the deformable mirror and reflected towards the wavefront sensor which measures the deformation of the wavefront.
  • the deformable mirror which functions as a wavefront corrector, is controlled in real time to correct the wavefront detected by the wavefront sensor.
  • the wavefront is corrected for both the illumination beam going to the object and the scattered beam from the object, with the wavefront corrector placed in a common path for illumination and imaging.
  • the imaging device also comprises an image processing module.
  • the image processing module produces a bright field image from the image captured by the camera, that is, from the captured lines covering the entire field of view.
  • the image processing module also allows to produce a dark field image from the multi-scattered photon signals for the entire field of view.
  • the image processing module corresponds, in practice, to the reading mode of the image sensor.
  • the image processing module allows to calculate or obtain images of increased phase contrast or absorption contrast as described above.
  • the image processing module comprises at least one computer, a central or calculation unit, a microprocessor, and/or suitable software means.
  • the method may be implemented, for example, by the imaging device according to the example described in relation to FIGS. 1 and 2.
  • the acquired brightfield image(s) can then be optimized, in terms of image quality, to find the correct time offset between the line scan and the rolling shutter.
  • this step is important to ensure that the imaging parameters are correct, and that in particular the photoreceptors can be imaged by placing themselves in the correct plane. This also allows the optimal time shift to be set for dark-field imaging.
  • the optimization step allows, in bright field mode, to ensure that the rolling shutter is well centered on the light line at each instant and that the width of the rolling shutter is identical to that of the line. This condition is verified when the signal on the bright field image obtained is homogeneous over the entire image and maximal. The time shift is zero in this case.
  • Optimal adjustment of the bright-field imaging mode allows the introduction of a controlled time shift for phase contrast imaging obtained from the dark-field imaging mode.
  • the same time shift value applied in advance or delay effectively results in a rolling shutter shifted forward (advance) or backward (delay) with the same spatial shift at each instant, symmetrically about the center of the light line. Without this symmetry, the symmetry in dark field mode between the image obtained with a rolling shutter advance and the image obtained with a rolling shutter delay would be compromised.
  • This optimization or adjustment step can be carried out during a device calibration phase.
  • an adaptive optics module in order to correct static and/or dynamic defects suffered by the illumination wavefront passing through the object or sample and ensure a well-defined light line on the object as well as high imaging resolution, an adaptive optics module can be implemented as described above.
  • a positive time shift can be applied to the scan, by synchronizing, with the synchronization module, the scanning means and the rolling shutter with a positive time shift in the second synchronized mode, in order to detect, with the sensor, a dark field signal and to produce, with the image processing module, a dark field image.
  • the image or images acquired in dark field can be optimized, in terms of image quality, to find the correct time shift.
  • the offset required to obtain optimal contrast depends on the structures that we are trying to observe. It is possible to carry out a parametric study by acquiring image sequences of the same region for the same exposure time, by varying the time offset between the illumination line and the rolling shutter, in order to be able to observe the evolution of the contrast and sharpness of the structure to be imaged as a function of the time offset. From this data, we can extract the optimal time offset to maximize the contrast of the structure of interest.
  • the same steps can be implemented to acquire one or more dark-field images with a negative time shift of the same value as the positive time shift.
  • the eye for example, fixes a target and is subject to involuntary movements inducing relative shifts between the acquired images.
  • the images must therefore be recalibrated in post-processing. It may then be easier to estimate the relative shifts between the images from the bright-field images than from the dark-field images.
  • the estimation of the shift of each bright-field image can also be used to extrapolate the shift of the successive dark-field image to that which has just been estimated with the bright-field image.
  • the method further comprises a step of producing a phase contrast image from at least two dark field images. To do this, an image acquired with a positive time shift and an image acquired with a negative time shift are subtracted from each other.
  • blood vessels, capillaries and fibers can be distinguished.
  • the effective rate of the "split detection" image sequence obtained from two successive images of the initial sequence, is half as low, i.e. 400 frames/s.
  • the method according to the invention is implemented for retinal imaging, it is appropriate to check, when switching on the light source of the illumination module, and possibly the source of the adaptive optics module, that the sources comply with ocular safety.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) d'imagerie comprenant : un module d'illumination linéaire (2) produisant une ligne lumineuse sur un objet (20); des moyens de balayage pour déplacer la ligne lumineuse sur l'objet; un capteur bidimensionnel (14) comprenant un obturateur déroulant; un module de synchronisation ayant un premier mode avec un décalage temporel nul entre l'obturateur déroulant et les moyens de balayage, dans lequel le capteur (14) capte un signal en champ clair, et un deuxième mode avec un décalage temporel non nul entre l'obturateur et les moyens de balayage, dans lequel le capteur capte un signal en champ sombre; et un module de traitement d'images pour produire une image en champ clair à partir des signaux en champ clair et pour produire une image en champ sombre à partir des signaux en champ sombre. L'invention concerne également un procédé d'imagerie.

Description

    Dispositif et procédé pour l’imagerie d’un objet diffusant
  • La présente invention concerne un dispositif pour l’imagerie d’un objet diffusant. Elle concerne également un procédé pour imager un tel objet.
  • Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui de l’imagerie de milieux ou objets diffusants, tels que des tissus biologiques.
    • Etat de la technique
  • De nombreuses techniques d’imagerie sont mises en œuvre dans tous les domaines scientifiques et notamment en médecine.
  • Pour l’imagerie des tissus biologiques complexes, et notamment l’œil in vivo, on peut distinguer des techniques incohérentes et des techniques cohérentes.
  • Les techniques incohérentes peuvent être basées sur une imagerie de réflectance directe ou sur une imagerie de phase et d’absorption.
  • On appellera imagerie de réflectance, tout type d’imagerie reposant sur un contraste d’intensité, à partir de la quantité de lumière, soit réfléchie, soit rétrodiffusée par une ou plusieurs structures de l’échantillon.
  • Les techniques cohérentes sont basées sur des mesures interférométriques.
  • Les techniques d’imagerie incohérentes sont généralement basées sur la mesure directe de la réflectance.
  • Pour des mesures en plein champ, les photons rétrodiffusés par l’œil sont mesurés avec une caméra. Il s’agit d’une technique rapide permettant d’enregistrer tous les photons en parallèle. En effet, le champ de vue entier est illuminé en parallèle, et l’enregistrement de photons provenant de ce champ de vue peut être effectué en parallèle ou par un obturateur déroulant de la caméra. Dans ces deux cas, le contraste de l’image obtenue est le même et la mesure est peu sensible. En tout cas, et de façon plus générale, dans le plein champ les photons sont enregistrés par une caméra 2D.
  • Cependant, l’exploitation des images est difficile, voire impossible, car non seulement les photons rétrodiffusés par une couche d’intérêt sont captés, mais également des photons diffusés par d’autres couches ou des photons multi-diffusés. Ceci diminue le contraste de l’image et apporte du bruit, ce qui par conséquent diminue le rapport signal sur bruit.
  • Dans les techniques d’imagerie confocales, les mesures sont réalisées point par point avec un système à balayage pour obtenir une image bidimensionnelle. Un filtrage confocal est réalisé pour filtrer les photons provenant d’autres profondeurs que celle de l’objet mesuré et les photons multiplement diffusés, ce qui permet donc d’imager avec un meilleur contraste et un meilleur rapport signal sur bruit.
  • En décalant le filtre confocal de détection par rapport l’illumination, il est aussi possible de réaliser de l’imagerie de champ sombre, où l’on détecte des photons provenant de zones non éclairées. A partir des images de champ sombre il est possible d’extraire le contraste d’absorption et le contraste de phase.
  • Cependant, la technique de balayage mono-point souffre d’une faible vitesse d’acquisition dû au balayage. En conséquence de la faible vitesse, des artefacts de distorsion peuvent notamment être présents dans un tel système de balayage lorsque l’objet imagé est en mouvement, tel que la rétine imagée in vivo.
  • La résolution axiale de ces techniques dépend de l’ouverture numérique du système de mesure.
  • Les techniques d’imagerie cohérentes sont généralement basées sur la mesure interférométrique de la lumière rétrodiffusée. Une technique cohérente importante est la tomographie en optique cohérente (Optical Coherence Tomography, OCT). L’OCT permet d’imager, entre autres, des tissus biologiques complexes diffusants en sélectionnant une profondeur d’imagerie par interférométrie à faible cohérence. Dans ce cas, la résolution axiale dépend de la largeur du spectre et non plus de l’ouverture numérique.
  • L’invention vise à résoudre les inconvénients de l’art antérieur décrits.
  • Il est notamment un but de l’invention de proposer un dispositif et un procédé pour l’imagerie d’un objet diffusant permettant de réaliser de l’imagerie en plein champ à une vitesse, un contraste et un rapport signal sur bruit élevés.
  • Il est un autre but de la présente invention de proposer un dispositif et un procédé pour l’imagerie d’un objet diffusant permettant de réaliser de l’imagerie en champ clair et en champ sombre.
  • Il est encore un but de la présente invention de proposer un dispositif pour l’imagerie d’un objet diffusant dont la configuration est simple et compacte.
  • Au moins un de ces buts est atteint avec un dispositif pour l’imagerie d’un objet diffusant, comprenant :
    • un module d’illumination linéaire configuré pour produire une illumination en forme de ligne lumineuse de l’objet dans un champ de vue ;
    • des moyens de balayage configurés pour déplacer la ligne lumineuse sur l’objet dans le champ de vue ;
    • un capteur bidimensionnel comprenant un obturateur déroulant ;
    • un module de synchronisation configuré pour fonctionner dans un premier mode synchronisé avec un décalage temporel nul entre l’obturateur déroulant et les moyens de balayage, dans lequel le capteur est configuré pour capter un signal en champ clair, et dans un deuxième mode synchronisé avec un décalage temporel non nul déterminé entre l’obturateur déroulant et les moyens de balayage, dans lequel le capteur est configuré pour capter un signal en champ sombre ; et
    • un module de traitement d’images configuré pour produire une image en champ clair à partir des signaux en champ clair et pour produire une image en champ sombre à partir des signaux en champ sombre.
  • Le dispositif d’imagerie selon la présente invention permet d’allier les avantages d’une configuration en champ clair et d’une configuration en champ sombre d’un dispositif d’imagerie.
  • Le dispositif selon l’invention permet de réaliser de l’imagerie en champ clair et en champ sombre, les deux configurations étant indépendantes l’une de l’autre. Le dispositif selon l’invention permet de produire des images uniquement en champ clair ou uniquement en champ sombre, ou les deux.
  • En champ clair, l’obturateur déroulant du capteur, et donc l’exposition successive de lignes de pixels du capteur, agit comme un filtrage spatial en temps réel, permettant de limiter le taux de photons multi-diffusés et s'étendant sur l'ensemble du champ de vue, et par conséquent, d’augmenter le contraste de structures imagées dans la région illuminée par rapport au contraste obtenu dans la même région lors d'une illumination complète du champ de vue. Illuminer séquentiellement les différentes parties du champ de vue en filtrant pour chaque zone les photons provenant des zones non illuminées permet ainsi de reconstruire des images du champ de vue avec un contraste amélioré. En diminuant de la sorte le bruit de fond, la sensibilité de détection est considérablement augmentée par rapport à une configuration en plein champ sans filtrage. Aucun filtrage numérique supplémentaire pendant le traitement d’images n’est nécessaire. Une image à haut contraste et rapport signal sur bruit peut donc être affichée en temps réel.
  • Pour un temps d’exposition donné, une partie seulement du champ de vue est détectée, les autres pixels du capteur étant rendus insensibles à la lumière par l’obturateur déroulant. Pour former une image de l’ensemble du champ de vue, la ligne lumineuse est balayée sur l’ensemble du champ de vue, et une image complète est formée à partir de l’ensemble des lignes captées et filtrées. Pour obtenir le meilleur compromis entre contraste et vitesse d’acquisition, le dispositif selon la présente invention dispose d'une ligne d'illumination d'une épaisseur prenant en compte les caractéristiques de diffusion de l'objet et les contraintes temporelles de l'acquisition (par exemple, mouvements oculaires). Il s’agit soit seulement de la zone illuminée afin de capter les photons rétrodiffusés par l’objet (détection en champ clair), soit d’une zone à côté de la zone illuminée permettant de détecter des photons multi-diffusés et réfractés par des structures faiblement réfléchissantes (détection en champ sombre).
  • Le dispositif selon l’invention permet ainsi de réaliser de l’imagerie en champ clair. Dans la configuration du premier mode de synchronisation, l’illumination est synchronisée avec l’obturateur déroulant (ou diaphragme numérique dynamique) de sorte que seuls les pixels exposés à chaque pas de temps soient illuminés par de la lumière rétrodiffusée par l’objet, c’est-à-dire, seulement les pixels correspondant à la zone illuminée soient effectivement lus. Il est possible de réaliser de l’imagerie d’un objet diffusant et obtenir des images de contraste de réflectance. En particulier, l’imagerie en champ clair permet d’obtenir des images de structures diffusantes avec un très bon contraste. La vitesse d’imagerie dans cette configuration est la même que dans une configuration plein champ, tout en augmentant la sensibilité de détection grâce au filtrage spatial. Dans le premier mode de synchronisation, des images de contraste de réflectance peuvent être obtenues.
  • Le dispositif selon l’invention permet également de réaliser de l’imagerie en champ sombre. Dans la configuration du deuxième mode de synchronisation, l’illumination est synchronisée avec l’obturateur déroulant de sorte que les pixels exposés à chaque pas de temps ne soient pas illuminés par la lumière rétrodiffusée par l’objet, mais par de la lumière multi-diffusée. Les pixels effectivement lus à chaque pas de temps correspondent donc à des zones non illuminées. Le capteur ne capte ainsi que de la lumière diffusée plusieurs fois. Cette configuration permet de relever des gradients de phase, et donc l’observation de structures quasi transparentes, invisibles en imagerie directe (champ clair). Dans ce deuxième mode de synchronisation, des images de contraste d’absorption et/ou de phase peuvent être obtenues.
  • Selon un aspect important de l’invention, le dispositif est configuré pour imager un objet ou échantillon à la fois en champ clair et en champ sombre, et d’exploiter les mesures obtenues selon les deux modes de synchronisation. La transition d’un mode de synchronisation vers l’autre est réalisée par un simple ajustement du décalage temporel entre l’obturateur déroulant du capteur et les moyens de balayage, sans qu’aucune manipulation mécanique par un opérateur soit nécessaire. Ainsi, à partir d’un même dispositif pouvant fonctionner selon différentes configurations en champ clair et en champ sombre, différents types d’images en plein champ peuvent être obtenus du même objet ou de la même zone de l’objet.
  • La synchronisation de l’illumination en forme de ligne, balayée sur l’objet, avec l’obturateur déroulant du capteur permet la détection sélective ligne par ligne du capteur sans aucune perte de cadence.
  • Grâce au dispositif selon l’invention, il est possible de passer aisément d’une configuration en champ clair, permettant de mesures de contraste de réflectance de structures à haut contraste, à une configuration en champ sombre, à détection décalée, permettant des mesures de contraste de phase et/ou d’absorption.
  • La projection d’une ligne lumineuse balayant l’objet à imager (tel que la rétine) à la même vitesse que fonctionne l’obturateur déroulant, avec un décalage temporel constant, au cours d’une acquisition, entre la position de l’obturateur et de la ligne d’illumination, permet d’obtenir des images à haute résolution même dans des milieux aberrants. Le réglage du décalage et du temps d’exposition de l’obturateur déroulant permet de changer l’angle du gradient de phase et le rapport signal sur bruit. Lorsqu’on passe du premier au deuxième mode, on augmente idéalement le temps d’exposition du capteur. A titre d’exemple, en champ clair, le décalage est de 0 et le temps d’exposition peut être de 50μs. Pour passer en champ sombre, le décalage peut passer, par exemple, à 100 μs, et le temps d’exposition à de 200 μs.
  • Le dispositif selon l’invention permet ainsi, par rapport aux systèmes de l’état de l’art, de maintenir la cadence d’imagerie d’un système plein champ, sans filtrage spatial, tout en augmentant la sensibilité de la détection.
  • Dans le dispositif selon l’invention, l’illumination et la détection sont découplées, ou indépendantes, l’une de l’autre. Grâce à la présence d’un capteur bidimensionnel avec l’obturateur déroulant, la ligne de détection sur le capteur n’est pas dans une position fixe, il n’est pas nécessaire de « dé-balayer » la ligne en détection, c’est-à-dire de repasser par les moyens de balayage pour annuler l’angle introduit comme c’est le cas pour un détecteur unidimensionnel. Il est alors aisé, moyennant un simple délai temporel, de détecter un signal en dehors de la zone illuminée de l’objet pour obtenir les contrastes de phase et d’absorption. Ceci permet de passer rapidement d’un mode de synchronisation à l’autre.
  • Grâce à la présence d’un capteur optique bidimensionnel (et non un capteur unidimensionnel), le dispositif selon l’invention est robuste par rapport à la non-linéarité des moyens de balayage, pouvant résulter des contraintes mécaniques de ces moyens, et aux aberrations optiques introduites par ceux-ci, pouvant provoquer respectivement des artefacts et une perte de résolution spatiale. Du fait du découplage entre l’illumination et la détection, les non-linéarités des moyens de balayage du faisceau lumineux peut entraîner un délai temporel entre l’illumination et la détection et ainsi la perte du signal. Lorsqu’il n’y a pas de signal, il est alors possible de constater directement la non-linéarité du système de balayage, ce qui n’est pas possible en imagerie confocale ou ligne. En effet, dans les systèmes confocales et ligne, l’illumination et la détection étant couplées, les non-linéarités du système de balayage provoquent un artefact de distorsion de la structure de l’objet imagé.
  • Le délai temporel pour passer d’un mode à l’autre est typiquement de quelques microsecondes.
  • Une cadence d’imagerie élevée est notamment importante dans le cas de l’imagerie de l’œil, pour s’affranchir des artefacts de distorsion induits par les mouvements de ce dernier.
  • Une sensibilité élevée permet de détecter des structures moins réfléchissantes, comme des cellules individuelles et leurs organelles.
  • Le capteur bidimensionnel peut être, par exemple, une caméra CMOS (semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire, complementary metal oxide semiconductor selon la terminologie anglo-saxonne).
  • Selon un mode de réalisation, le module de synchronisation peut être configuré pour fonctionner dans le premier mode synchronisé et le deuxième mode synchronisé pour l’ensemble du champ de vue.
  • Avantageusement, le module de traitement d’images peut être configuré pour produire une image de contraste de phase à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  • En effet, il est possible d’obtenir une image de contraste de phase augmenté en soustrayant deux images prises en champ sombre, représentant également des images de contraste de phase, avec un décalage temporel entre l’obturateur et les moyens de balayage positif ou négatif, respectivement.
  • Alternativement ou en plus, le module de traitement d’images peut être configuré pour produire une image de contraste d’absorption à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  • En effet, il est possible d’obtenir une image de contraste d’absorption en additionnant deux images prises en champ sombre avec un décalage temporel entre l’obturateur et les moyens de balayage positif ou négatif, respectivement.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre un module d’optique adaptative configuré pour corriger des défauts statiques et/ou dynamiques subis par le front d’onde de l’illumination traversant l’objet.
  • Grâce au module d’optique adaptative, des défauts statiques et/ou dynamiques imposés au front d’onde par l’objet ou l’échantillon et/ou par les surfaces optiques du dispositif, peuvent être efficacement corrigés. Cette correction est particulièrement importante lorsque l’objet à imager est en mouvement et le front d’onde subit des aberrations rapidement évolutives, comme par exemple l’œil humain. La correction permet de maintenir une résolution élevée pour le dispositif même en présence de défauts ou perturbations. L’optique adaptative permet également d’assurer que l’illumination reste bien en forme de ligne et ne s’étale pas, afin de ne pas limiter le contraste pouvant être obtenu avec le dispositif par le masquage du signal de phase par le signal direct de la ligne étalée. Elle permet également de s’assurer que le recouvrement entre la taille de la ligne lumineuse et l’obturateur déroulant soit optimal. Le module d’optique adaptative permet ainsi de garantir à la fois la bonne dimension de la ligne lumineuse sur l’objet à imager et la qualité d’imagerie des structures d’intérêt.
  • De manière avantageuse, le module d’illumination peut comprendre une source lumineuse ponctuelle couplée à une lentille génératrice de ligne.
  • Alternativement, le module d’illumination peut comprendre une source lumineuse étendue couplée avec un filtre spatial en forme de ligne, ou avec une matrice de micro-miroirs (digital micromirror device, DMD).
  • La source lumineuse peut être une source infrarouge.
  • Les longueurs d’onde infrarouges n’étant que très peu absorbées par les tissus biologiques, elles sont particulièrement adaptées pour l’imagerie de tels tissus.
  • Selon un exemple, la source lumineuse peut être une diode superluminescente (SLD). Les SLD ont l'avantage d'être relativement puissantes (quelques milliwatts) et d’avoir une directivité élevée. De plus, leur faible longueur de cohérence temporelle permet d'atténuer les tavelures, c’est-à-dire, des distributions granulaires d'intensité.
  • La lentille génératrice de ligne peut être, par exemple, une lentille cylindrique ou une lentille de Powell.
  • Une lentille de Powell garantit une distribution d’intensité homogène le long de la ligne lumineuse générée.
  • Selon un autre aspect de la même invention, il est proposé un procédé pour imager un objet diffusant. Le procédé est mis en œuvre par un dispositif d’imagerie comprenant un module d’illumination, des moyens de balayage, un capteur bidimensionnel comprenant un obturateur déroulant, un module de synchronisation et un module de traitement d’images, et notamment par un dispositif d’imagerie selon la présente invention.
  • Le procédé selon l’invention comprend les étapes suivantes :
  • - illumination, par le module d’illumination linéaire, de l’objet avec une ligne lumineuse dans le champ de vue ;
  • - balayage, par les moyens de balayage, de la ligne lumineuse sur l’objet dans le champ de vue ;
  • - synchronisation, par le module de synchronisation, des moyens de balayage et de l’obturateur déroulant avec un décalage temporel nul dans un premier mode synchronisé, dans lequel le capteur est configuré pour capter un signal en champ clair, et avec un décalage temporel non nul déterminé dans un deuxième mode synchronisé, dans lequel le capteur est configuré pour capter un signal en champ sombre ;
  • - détection, par le capteur, d’un signal en champ clair et/ou d’un signal en champ sombre ; et
  • - production, par le module de traitement d’images, d’une image en champ clair à partir des signaux en champ clair et d’une image en champ sombre à partir des signaux en champ sombre.
  • De manière avantageuse, les étapes de synchronisation et de détection peuvent être réalisées alternativement pour produire une image en champ clair et pour produire une image en champ sombre successivement.
  • Il est en effet aisé de passer du premier mode synchronisé au deuxième mode synchronisé en ajustant le décalage temporel entre l’obturateur déroulant du capteur et les moyens de balayage. Des images en champ clair et en champ sombre peuvent ainsi être obtenues du même objet ou de la même partie de l’objet, permettant de combiner les avantages des deux modes pour obtenir d’avantage d’informations de l’objet imagé.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape de production d’une image de contraste de phase à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  • Alternativement ou en plus, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape de production d’une image de contraste d’absorption à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  • Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape de correction de défauts statiques et/ou dynamiques subis par le front d’onde de l’illumination traversant l’objet.
  • Pour cela, un module d’optique adaptative peut être mis en œuvre comme décrit ci-dessus.
  • Le dispositif et le procédé selon l’invention peuvent être mis en œuvre dans de nombreuses applications nécessitant l’imagerie de structures, objets ou échantillons diffusants, telles que l’imagerie biologique ou médicale, l’imagerie subaquatique, à travers la brume ou le brouillard, sur fond de nuages, ou encore le contrôle non destructif de matériaux (par exemple, des fibres de verre).
  • Plus particulièrement pour l’imagerie de la rétine, le dispositif et le procédé selon l’invention permettent d’observer la plupart des structures d’intérêt dans une rétine, qu’elles soient hautement rétro-diffusantes comme par exemple des cônes, bâtonnets, ou faiblement diffusants, comme par exemple des cellules ganglionnaires et capillaires sanguins. Les hautes cadences atteignables et le large de champ de vue imagé permettent de répondre à un besoin médical de scanner la zone la plus large possible tout en limitant le temps d’imagerie pour le patient. La haute cadence permet également d’imager le flux sanguin dans des capillaires présents dans la rétine.
    • Description des figures et modes de réalisation
  • D’autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
    • la est une représentation schématique d’un exemple de réalisation non limitatif d’un dispositif d’imagerie selon l’invention ;
    • la est une représentation schématique d’un exemple d’un module d’illumination du dispositif selon l’invention ;
    • la montre une représentation schématique d’un premier mode de synchronisation mis en œuvre par le dispositif selon l’invention ;
    • la montre une représentation schématique d’un deuxième mode de synchronisation mis en œuvre par le dispositif selon l’invention ;
    • la montre des exemples d’images acquises avec un dispositif selon l’invention ; et
    • la montre un exemple d’image de contraste de phase obtenue avec un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
  • Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.
  • Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures peuvent conserver la même référence.
  • La est une représentation schématique d’un mode de réalisation non limitatif d’un dispositif d’imagerie selon la présente invention.
  • Le dispositif 1, tel que représenté sur la , peut être mis en œuvre pour réaliser les étapes d’un procédé d’imagerie selon la présente invention. Des exemples de réalisation du dispositif et du procédé selon l’invention seront décrits par la suite.
  • Le dispositif 1 comprend un module d’illumination linéaire 2, des moyens de balayage 12 et un capteur d’images bidimensionnel 14.
  • Le module d’illumination linéaire 2 permet de produire un éclairage en forme de ligne de l’objet 20 ou de l’échantillon à imager. Un exemple d’un tel module d’illumination est illustré sur la .
  • Le module d’illumination 2, tel que représenté sur la , comprend une source lumineuse 3 ponctuelle collimatée et une lentille génératrice de ligne 5. La lentille 5 génératrice de ligne est de préférence une lentille de Powell. La lentille 5 peut également être une lentille cylindrique. La source lumineuse 3 est une source bidimensionnelle. De préférence, la source a une émission large bande et une faible longueur de cohérence temporelle. Elle peut par exemple émettre à une longueur d’onde de 850 nm avec une bande passante spectrale de 55 nm.
  • La sortie de la source lumineuse 3 peut être fibrée, couplée à un collimateur (non représenté). La sortie de la source 3 peut également être non fibrée, auquel cas le collimateur n’est pas nécessaire.
  • La source lumineuse 3 peut être, par exemple, une diode superluminescente (SLD).
  • Le faisceau 7 de la source 3 traverse la lentille de Powell 5 qui convertit le faisceau collimaté en faisceau divergent de section linéaire. Le faisceau converti présente un angle d’ouverture dans une direction mais reste collimaté dans la direction orthogonale.
  • La illustre la forme du faisceau lumineux 7 sortant du module d’illumination 2 dans les deux plans (x, z) et (y, z), ainsi que sa section linéaire 21 dans le plan (x, y).
  • Toujours en référence à la , un doublet achromatique 6 positionné en sortie du module d’illumination 2 permet de limiter le champ d’illumination dans la direction dans laquelle le faisceau 7 est divergent, afin de minimiser les pertes de puissance. En superposant les plans focaux de la lentille de Powell 5 et du doublet 6, une ligne lumineuse est formée sur le plan focal image de la lentille.
  • Afin de garantir une illumination homogène sur les bords de la ligne lumineuse, et comme illustré sur la , une fente 13 peut être placée dans le plan focal image du doublet achromatique 6, ce plan focal étant conjugué au plan de l’objet ou échantillon à imager.
  • Le faisceau d’illumination 7, issu du module d’illumination 2, est dirigé vers l’objet 20 au moyen d’un miroir semi-transparent 8 de façon à ce que l’objet soit illuminé avec la ligne lumineuse générée. Le faisceau d’illumination 7 est focalisé, dans la direction de la largeur de la ligne lumineuse, dans ou sur l’objet 20 à l’aide d’une lentille 16. La lumière diffusée 11 par l’objet 20 repasse par le miroir semi-transparent 8 pour être détectée par le capteur 14.
  • Dans le cas de la mise en œuvre du dispositif 1 pour l’imagerie de la rétine, l’œil joue le rôle de la lentille 16.
  • La ligne lumineuse est balayée sur l’objet 20 à imager, dans le champ de vue, à l’aide des moyens de balayage. Pour cela, le faisceau d’illumination 7 est dirigé vers un miroir galvanométrique 12. Celui-ci dirige le faisceau lumineux 7 vers l’objet 20 selon un angle variable (indiqué par une flèche à double sens dans la ), permettant de balayer l’ensemble du champ de vue avec la ligne lumineuse formée par le module d’illumination 2.
  • L'amplitude du balayage peut être ajustée pour fournir un champ de vue déterminé. La fréquence de balayage du miroir galvanométrique est identique à la fréquence d'acquisition d'images plein champ sur le champ de vue. Par exemple, des images sur le champ de vue entier peuvent être acquises avec une fréquence de 200 Hz pour typiquement 1000 rangées de pixels.
  • L’illumination de l’objet 20 doit être en forme de ligne dans le plan focal image, et le miroir galvanométrique 12 doit se trouver dans le plan pupille pour que l’angle du miroir 12 permet un changement de position seul de la ligne lumineuse sur l’objet. Deux lentilles 17, 18 agencées de part et d’autre du miroir galvanométrique 12 permettent de passer d’un plan image à un plan pupille.
  • Le capteur bidimensionnel 14 du dispositif 1 selon l’invention est configuré pour détecter la lumière diffusée 11 par l’objet 20. Le capteur 14 comprend un obturateur déroulant. Cet obturateur est un obturateur contrôlable électroniquement. Il est notamment possible d’ajuster la largeur de l’obturateur afin de définir le nombre de rangées ou lignes de pixels du capteur 14 qui sont exposés. Le temps de pose par rangée de pixels du capteur 14 est constant. La vitesse de l’obturateur déroulant est notamment définie par la fréquence d'images du capteur 14.
  • Le capteur 14 est par exemple une caméra CMOS.
  • Le dispositif 1 selon l’invention comprend un module de synchronisation (non représenté) pour gérer le mode de synchronisation entre les moyens de balayage et l’obturateur déroulant du capteur 14.
  • Un premier et un deuxième mode de synchronisation sont illustrés schématiquement sur les figures 3 et 4, respectivement. Dans les figures 3 et 4, le champ de vue du capteur est représenté par une matrice de 15 x 9 pixels 31. La ligne lumineuse rétrodiffusée 32 sur le capteur est illustrée par un fond grisé. L’obturateur déroulant exposant les trois rangés de pixels est illustré par un rectangle 33 au trait épais.
  • Dans un premier mode de synchronisation, le décalage temporel entre les moyens de balayage et l’obturateur déroulant est nul. Dans ce cas, le capteur capte la zone de l’objet illuminée par la ligne lumineuse, il détecte alors la lumière rétrodiffusée par l’objet. Il s’agit d’une détection en champ clair.
  • Le principe de fonctionnement du premier mode de synchronisation est illustré dans la .
  • Dans le premier mode de synchronisation, la lumière rétrodiffusée directement, en forme de ligne, par l’objet est détectée par les rangées de pixels 31 du capteur exposées par l’obturateur déroulant. Pour synchroniser l’obturateur déroulant avec les moyens de balayage, et notamment le miroir galvanométrique, un signal électronique déclencheur de type TTL (transistor-transistor logic) peut être généré et envoyé au capteur, de manière synchrone à un signal de tension linéaire, de type dent de scie généré et envoyé au miroir galvanométrique, par exemple avec une carte de sortie analogique.
  • Pour filtrer la lumière multi-diffusée et/ou non focalisée et capter la lumière rétrodiffusée, l'obturateur a une largeur correspondant à la largeur de la ligne lumineuse et le centre de cette ligne doit coïncider avec le centre des rangées de pixels exposés par l’obturateur.
  • Dans l’exemple illustré sur la , la ligne lumineuse rétrodiffusée 32 éclaire trois rangées de pixels 31 sur le capteur. La vitesse de l’obturateur déroulant est de t i par rangée. L'exposition de la première rangée de pixels commence au moment t 0, qui correspond par exemple à la montée du signal déclencheur. L'exposition de la rangée de pixels suivant commence après ti, et ainsi de suite jusqu'à la dernière rangée de pixels de l'image.
  • Le temps d’exposition est, par exemple, 50 µs, pour une fréquence d’acquisition de 200 Hz. Cela correspond à laisser chaque ligne exposée pendant l’équivalent de 10 rangées de pixel. Pour une largeur de la ligne d’illumination de 10 rangées de pixels sur le capteur 14, choisir un temps d’exposition de 50 µs est optimal. Pour un champ de vue de 1000 rangées de pixels, cela correspond à un temps d’acquisition de 5,05 ms par image.
  • Une image complète est acquise lorsque l’ensemble des pixels correspondant au champ de vue, soit les 1000 rangées, ont été exposés, c’est-à-dire, en 5,05 ms.
  • Le miroir galvanométrique revient à sa position initiale avant l’acquisition d’une nouvelle image, ou à une position permettant d'ajouter une avance ou un retard donné entre la ligne lumineuse et l'obturateur déroulant.
  • Les images obtenues selon ce premier mode de synchronisation sont des images de contraste de réflectance.
  • Un exemple d’une image de contraste de réflectance est montré sur la (a) (« Brightfield »).
  • Dans un deuxième mode de synchronisation, le décalage temporel entre les moyens de balayage et l’obturateur déroulant est non nul. Dans ce cas, le capteur capte un signal lumineux provenant d’une zone non illuminée de l’objet. Il s’agit de la lumière multi-diffusée par l’objet, et donc d’une détection en champ sombre. 
  • Le principe de fonctionnement du deuxième mode de synchronisation est illustré dans la .
  • Dans le deuxième mode de synchronisation, la lumière rétrodiffusée directement, en forme de ligne, par l’objet n’est pas détectée par le capteur.
  • Ici, l’obturateur déroulant du capteur est temporellement décalé par rapport au miroir galvanométrique (et donc la ligne lumineuse 32 sur le capteur) d’un temps de 3t i. Dans l’exemple représenté dans la , l’obturateur déroulant 33 est en avance par rapport à l’illumination. Dans le plan de la figure, les pixels exposés se trouvent alors en dessous des pixels éclairés.
  • La ligne lumineuse rétrodiffusée 34 éclaire deux rangées 32 de pixels 31 sur le capteur, et la vitesse de l’obturateur déroulant est de t i par rangée. L'exposition de la première rangée de pixels commence au moment t 0, qui correspond par exemple à la montée du signal déclencheur. L'exposition de la rangée de pixels suivant commence après ti, et ainsi de suite jusqu'à la dernière rangée de pixels de l'image. L’obturateur déroulant expose également deux rangées 35 de pixels, décalés de trois rangées par rapport aux rangées 32 éclairés.
  • Bien entendu, l’obturateur déroulant peut également être retardé par rapport à l’illumination.
  • Les images obtenues selon ce deuxième mode de synchronisation sont des images de champ sombre, à partir desquelles on peut générer des images de contraste de phase et d’absorption.
  • Deux exemples d’images prises en champ sombre sont montrés sur les figures 5(b) et 5(c). Les deux images correspondent à deux décalages temporels différents entre la détection et l’illumination (« Offset 1 » et « Offset 2 »). En particulier, il s’agit de décalages temporels opposés.
  • Dans le dispositif selon l’invention, le module de synchronisation est configuré pour fonctionner dans le premier et le deuxième mode de synchronisation, en combinant l’imagerie en champ clair et en champ sombre pour améliorer la qualité de l’imagerie par le dispositif.
  • Pour obtenir une image de contraste de phase augmenté, deux images prises en champ sombre, représentant également des images de contraste de phase, peuvent être soustraites. L’une des deux images d’origine est captée avec un décalage temporel entre l’obturateur et les moyens de balayage positif, et l’autre image d’origine avec un décalage temporel négatif. Les décalages temporels ont de préférence la même valeur, mais changent uniquement de signe.
  • Pour obtenir une image de contraste d’absorption, deux images prises en champ sombre peuvent être additionnées. L’une des deux images d’origine est captée avec un décalage temporel entre l’obturateur et les moyens de balayage positif, et l’autre image d’origine avec un décalage temporel négatif.
  • Deux exemples d’images obtenues en combinant deux images de contraste de phase, respectivement, sont montrés sur les figures 5(d) et 5(e).
  • Sur la (d) (« Phase contrast ») est représentée une image de contraste de phase, correspondant à deux images de contraste de phase soustraites. En particulier, l’image 5(d) correspond à la soustraction de l’image 5(b) à l’image 5(c).
  • Sur la (e) (« Absorption contrast ») est représentée une image de contraste d’absorption, correspondant à deux images de contraste de phase additionnées. En particulier, l’image 5(e) correspond à l’addition des images 5(b) et 5(c).
  • Les paramètres du balayage et de la synchronisation, tels que le signal électronique déclencheur, la largeur et la vitesse de l’obturateur déroulant ou les différents décalages temporels mis en œuvre, peuvent être contrôlés via une interface utilisateur.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur la , le dispositif 1 selon l’invention comprend également un module d’optique adaptative 15. Le faisceau d’illumination 7 traverse le module d’optique adaptative 15 avant d’arriver sur l’objet 20.
  • Le module d’optique adaptative 15 permet de mesurer et corriger un front d'onde aberré, par exemple dû à des déformations du front d’onde induites par l’objet observé, et donc d’améliorer la résolution des images.
  • Le module d’optique adaptative 15 comprend une source lumineuse (dite source d’analyse) telle qu’une diode super luminescente fibrée, un capteur de front d'onde, par exemple de type Shack-Hartmann, et un miroir déformable. La longueur d’onde ou la bande spectrale de la source d’analyse est de préférence différente de celle de la source 3 utilisée pour l’imagerie ; sinon, des filtres spectraux peuvent être utilisés pour séparer les sources. Le faisceau de la source lumineuse est dirigé vers l’objet. Le front d’onde déformé de la lumière rétrodiffusée par l’objet est dirigé vers le miroir déformable et réfléchi vers le capteur de front d’onde qui mesure la déformation du front d’onde. Le miroir déformable, qui fonctionne en tant que correcteur de front d’onde, est contrôlé en temps réel pour corriger le front d’onde détecté par le capteur de front d’onde.
  • Le front d'onde est corrigé à la fois pour le faisceau d’illumination allant vers l’objet et le faisceau diffusé de l’objet, le correcteur de front d’onde étant placé dans un chemin commun à l’illumination et à l’imagerie.
  • Le dispositif d’imagerie selon l’invention comprend également un module de traitement d’images.
  • Le module de traitement d’images permet de produire une image en champ clair à partir de l’image captée par la caméra, c’est-à-dire, à partir des lignes captées couvrant l’ensemble du champ de vue.
  • Le module de traitement d’images permet également de produire une image en champ sombre à partir des signaux de photons multi-diffusés pour l’ensemble du champ de vue.
  • Dans ces deux cas précités, le module de traitement d’images correspond, en pratique, au mode lecture du capteur d’images.
  • Enfin, le module de traitement d’images permet de calculer ou obtenir des images de contraste de phase augmenté ou de contraste d’absorption telles que décrites ci-dessus.
  • Le module de traitement d’images comprend au moins un ordinateur, une unité centrale ou de calcul, un microprocesseur, et/ou des moyens logiciels adaptés.
  • Un exemple de réalisation d’un procédé pour imager un objet diffusant sera décrit par la suite. Le procédé peut être mis en œuvre, par exemple, par le dispositif d’imagerie selon l’exemple décrit en relation avec les figures 1 et 2.
  • Le procédé selon ce mode de réalisation comprend les étapes suivantes :
    • illumination, par le module d’illumination linéaire, de l’objet avec une ligne lumineuse dans le champ de vue ;
    • balayage, par les moyens de balayage, de la ligne lumineuse sur l’objet dans le champ de vue ;
    • synchronisation, par le module de synchronisation, des moyens de balayage et de l’obturateur déroulant avec un décalage temporel nul dans le premier mode synchronisé, afin de détecter, avec le capteur, un signal en champ clair et d’acquérir, avec le module de traitement d’images, une image en champ clair.
  • L’image ou les images acquises en champ clair peuvent ensuite être optimisées, en termes de qualité d’image, pour trouver le bon décalage temporel entre le balayage de la ligne et l’obturateur déroulant.
  • Lorsque l’objet à imager est la rétine, cette étape est importante pour s’assurer que les paramètres d’imagerie sont bons, et que notamment les photorécepteurs peuvent être imagés en se plaçant au bon plan. Cela permet également de régler le décalage temporel optimal pour l’imagerie en champ sombre.
  • En particulier, l’étape d’optimisation permet, en mode champ clair, de s’assurer que l’obturateur déroulant est bien centré sur la ligne lumineuse à chaque instant et que la largeur de l’obturateur déroulant est identique à celle-ci de la ligne. Cette condition est vérifiée quand le signal sur l’image champ clair obtenue est homogène sur l’ensemble de l’image et maximal. Le décalage temporel est nul dans ce cas.
  • Un réglage optimal du mode d’imagerie champ clair permet d’introduire un décalage temporel maitrisé pour l’imagerie par contraste de phase obtenu à partir du mode d’imagerie en champ sombre.
  • Ainsi, si le mode champ clair est bien paramétré, la même valeur de décalage temporel appliquée en avance ou en retard mène effectivement à un obturateur déroulant décalé vers l’avant (avance) ou vers l’arrière (retard) avec le même décalage spatial à chaque instant, de manière symétrique par rapport au centre de la ligne lumineuse. Sans cette symétrie, la symétrie en mode champ sombre entre l’image obtenue avec une avance de l’obturateur déroulant et l’image obtenue avec un retard de l’obturateur déroulant serait compromise.
  • Cette étape d’optimisation, ou de réglage, peut être réalisée lors d’une phase de calibration du dispositif.
  • De manière optionnelle, afin de corriger des défauts statiques et/ou dynamiques subis par le front d’onde de l’illumination traversant l’objet ou échantillon et assurer une ligne lumineuse bien définie sur l’objet ainsi qu’une haute résolution d’imagerie, un module d’optique adaptative peut être mis en œuvre comme décrit ci-dessus.
  • Lors d’une étape suivante, un décalage temporel positif peut être appliqué au balayage, en synchronisant, avec le module de synchronisation, les moyens de balayage et l’obturateur déroulant avec un décalage temporel positif dans le deuxième mode synchronisé, afin de détecter, avec le capteur, un signal en champ sombre et de production, avec le module de traitement d’images, une image en champ sombre.
  • L’image ou les images acquises en champ sombre peuvent être optimisées, en termes de qualité d’image, pour trouver le bon décalage temporel.
  • En effet, en mode champ sombre, le décalage permettant d’obtenir un contraste optimal dépend des structures que l’on cherche à observer. Il est possible de faire une étude paramétrique en acquérant des séquences d’images de la même région pour un même temps d’exposition, en faisant varier le décalage temporel entre la ligne d’illumination et l’obturateur déroulant, afin de pouvoir constater l’évolution du contraste et de la netteté de la structure à imager en fonction du décalage temporel. A partir de ces données, on peut extraire le décalage temporel optimal pour maximiser le contraste de la structure d’intérêt.
  • Les mêmes étapes peuvent être mises en œuvre pour acquérir une ou plusieurs images en champ sombre avec un décalage temporel négatif de la même valeur que le décalage temporel positif.
  • Entre les étapes pour acquérir des images en mode champ sombre ou des images en champ clair, il peut être utile de retourner dans le mode champ clair ou dans le mode champ sombre, respectivement.
  • Selon un exemple, lors des acquisitions l’œil par exemple, celui-ci fixe une cible et est soumis à des mouvements involontaires induisant des décalages relatifs entre les images acquises. Les images doivent donc être recalées en post-traitement. Il peut alors être plus facile d’estimer les décalages relatifs entre les images à partir des images en champ clair que des images en champ sombre. L’estimation du décalage de chaque image en champ clair peut aussi être utilisée pour extrapoler le décalage de l’image en champ sombre successive à celui que l’on vient d’estimer avec l’image en champ clair.
  • Selon un autre exemple, pour certaines structures de la rétine, comme les photorécepteurs, il peut être intéressant d’acquérir des images présentant un contraste d’absorption et un contraste de phase. Il est alors possible d’enchainer les acquisitions d’images en champ clair (par exemple, une centaine) et ensuite en champ sombre. Alternativement, on peut intercaler les acquisitions d’images entre champ clair et champ sombre. L’avantage de cette alternative est qu’on image la même structure sur des moments très proches, permettant éventuellement d’étudier la dynamique des cellules de la rétine.
  • Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de production d’une image de contraste de phase à partir d’au moins deux images en champ sombre. Pour ce faire, une image acquise avec un décalage temporel positif et une image acquise avec un décalage temporel négatif sont soustraites l’une de l’autre.
  • A titre d’exemple, la montre une image de contraste de phase obtenue avec un procédé selon le mode de réalisation décrit ci-dessus. Sur l’image, on distingue des vaisseaux sanguins, des capillaires et des fibres.
  • Lorsqu’on alterne entre les modes champ sombre correspondant aux décalages temporels positif et négatif, il est ensuite possible de soustraire consécutivement les images de l’acquisition deux par deux pour obtenir une séquence d’images dites « split detection » avec un contraste de phase maximisé. Si la séquence d’acquisition initiale avec l’alternance des modes champ sombre aux décalages temporels positif et négatif est, par exemple, de 800 images/s, la cadence effective de la séquence d’images « split detection », obtenue à partir de deux images successives de la séquence initiale, est deux fois plus faible, soit 400 images/s.
  • Lorsque le procédé selon l’invention est mis en œuvre pour l’imagerie de la rétine, il convient de vérifier, lors de l’allumage de la source lumineuse du module d’illumination, et éventuellement de la source du module d’optique adaptative, que les sources respectent la sécurité oculaire.
  • Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
    •

Claims (12)

  1. Dispositif (1) pour l’imagerie d’un objet diffusant (20), comprenant :
    • un module d’illumination linéaire (2) configuré pour produire une illumination en forme de ligne lumineuse de l’objet (20) dans un champ de vue ;
    • des moyens de balayage (12) configurés pour déplacer la ligne lumineuse sur l’objet (20) dans le champ de vue ;
    • un capteur bidimensionnel (14) comprenant un obturateur déroulant ;
    • un module de synchronisation configuré pour fonctionner dans un premier mode synchronisé avec un décalage temporel nul entre l’obturateur déroulant et les moyens de balayage, dans lequel le capteur (14) est configuré pour capter un signal en champ clair, et dans un deuxième mode synchronisé avec un décalage temporel non nul déterminé entre l’obturateur et les moyens de balayage, dans lequel le capteur (14) est configuré pour capter un signal en champ sombre ; et
    • un module de traitement d’images configuré pour produire une image en champ clair à partir des signaux en champ clair et pour produire une image en champ sombre à partir des signaux en champ sombre. 
  2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de traitement d’images est configuré pour produire une image de contraste de phase à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  3. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de traitement d’images est configuré pour produire une image de contraste d’absorption à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un module d’optique adaptative (15) configuré pour corriger des défauts statiques et/ou dynamiques subis par le front d’onde de l’illumination traversant l’objet (20).
  5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module d’illumination (2) comprend une source lumineuse infrarouge (3).
  6. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module d’illumination (2) comprend une source lumineuse ponctuelle (3) couplée à une lentille génératrice de ligne (5).
  7. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur (14) est un capteur à semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire.
  8. Procédé pour imager un objet diffusant (20), le procédé étant mis en œuvre par un dispositif d’imagerie comprenant un module d’illumination linéaire (2), des moyens de balayage, un capteur bidimensionnel (14) comprenant un obturateur déroulant, un module de synchronisation et un module de traitement d’images, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    • illumination, par le module d’illumination (2), de l’objet (20) avec une ligne lumineuse dans le champ de vue ;
    • balayage, par les moyens de balayage, de la ligne lumineuse sur l’objet (20) dans le champ de vue ;
    • synchronisation, par le module de synchronisation, des moyens de balayage et de l’obturateur déroulant avec un décalage temporel nul dans un premier mode synchronisé, dans lequel le capteur (14) est configuré pour capter un signal en champ clair, et avec un décalage temporel non nul déterminé dans un deuxième mode synchronisé, dans lequel le capteur (14) est configuré pour capter un signal en champ sombre ;
    • détection, par le capteur (14), d’un signal en champ clair et/ou d’un signal en champ sombre ; et
    • production, par le module de traitement d’images, d’une image en champ clair à partir des signaux en champ clair et d’une image en champ sombre à partir des signaux en champ sombre.
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les étapes de synchronisation et de détection sont réalisées alternativement pour produire une image en champ clair et pour produire une image en champ sombre successivement.
  10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de production d’une image de contraste de phase à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de production d’une image de contraste d’absorption à partir d’au moins deux images en champ sombre.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de correction de défauts statiques et/ou dynamiques subis par le front d’onde de l’illumination traversant l’objet (20).
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