FR2852394A1 - System for fibre optic high-resolution imaging, especially confocal, fluorescence imaging, used especially in in-vivo imaging in-situ, uses several thousand optical fibres which collect return fluorescent signals - Google Patents
System for fibre optic high-resolution imaging, especially confocal, fluorescence imaging, used especially in in-vivo imaging in-situ, uses several thousand optical fibres which collect return fluorescent signals Download PDFInfo
- Publication number
- FR2852394A1 FR2852394A1 FR0302972A FR0302972A FR2852394A1 FR 2852394 A1 FR2852394 A1 FR 2852394A1 FR 0302972 A FR0302972 A FR 0302972A FR 0302972 A FR0302972 A FR 0302972A FR 2852394 A1 FR2852394 A1 FR 2852394A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- image
- fiber
- fibers
- excitation
- fluorescence
- 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.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/008—Details of detection or image processing, including general computer control
- G02B21/0084—Details of detection or image processing, including general computer control time-scale detection, e.g. strobed, ultra-fast, heterodyne detection
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0071—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by measuring fluorescence emission
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0073—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by tomography, i.e. reconstruction of 3D images from 2D projections
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0082—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes
- A61B5/0084—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0028—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders specially adapted for specific applications, e.g. for endoscopes, ophthalmoscopes, attachments to conventional microscopes
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0036—Scanning details, e.g. scanning stages
- G02B21/0048—Scanning details, e.g. scanning stages scanning mirrors, e.g. rotating or galvanomirrors, MEMS mirrors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0052—Optical details of the image generation
- G02B21/0072—Optical details of the image generation details concerning resolution or correction, including general design of CSOM objectives
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
- G02B21/002—Scanning microscopes
- G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
- G02B21/0052—Optical details of the image generation
- G02B21/0076—Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0062—Arrangements for scanning
- A61B5/0068—Confocal scanning
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Pathology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Ophthalmology & Optometry (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
- 1- 1
" Procédé et appareillage d'imagerie de fluorescence fibrée haute résolution" La présente invention concerne un procédé et un appareillage d'imagerie de fluorescence fibrée haute résolution. The present invention relates to a method and an apparatus for high resolution fibered fluorescence imaging.
Les domaines d'applications de l'invention sont notamment l'analyse de 5 tissus biologiques in-vivo sur l'homme ou l'animal, externes par exemple dans le domaine de la dermatologie, ou internes et accessibles notamment par endoscopie, par exemple dans le domaine de la neurologie ou la gynécologie. La présente invention vise également l'analyse ex-vivo d'échantillons tissulaires provenant de prélèvements biopsiques, et l'analyse in-vitro de cultures en 10 biologie cellulaire. The fields of application of the invention are in particular the analysis of 5 biological tissues in vivo on humans or animals, external for example in the field of dermatology, or internal and accessible in particular by endoscopy, for example in the field of neurology or gynecology. The present invention also relates to the ex-vivo analysis of tissue samples from biopsy samples, and the in-vitro analysis of cultures in cell biology.
Selon un second objet, la présente invention vise un procédé et un appareillage d'imagerie de fluorescence haute résolution adaptés à l'analyse in vivo, in situ, en temps réel, c'est à dire capables de fournir un nombre suffisant d'images par seconde sans être tributaire des bougés du sujet et du praticien 1 5 pour permettre notamment un examen assez rapide. According to a second object, the present invention relates to a high resolution fluorescence imaging method and apparatus suitable for in vivo analysis, in situ, in real time, ie capable of providing a sufficient number of images. per second without being dependent on the subject and practitioner shakes 1 5 to allow in particular a fairly rapid examination.
La fluorescence observée peut provenir d'un composé exogène (typiquement un marqueur injecté) ou endogène (présent naturellement dans la cellule ou transfecté) d'un tissu biologique. The fluorescence observed can come from an exogenous compound (typically an injected marker) or endogenous (naturally present in the cell or transfected) from a biological tissue.
La présente invention concerne de manière plus particulière un 20 appareillage de fluorescence utilisant un transport à l'aide de fibres optiques souples des signaux d'excitation et des signaux de fluorescence émis, cela permettant notamment d'accéder au site à observer, de manière externe comme bras de commande articulé ou endoscopique notamment via le canal opérateur d'un endoscope, en déportant la source d'excitation. The present invention relates more particularly to a fluorescence apparatus using a transport using flexible optical fibers of the excitation signals and of the fluorescence signals emitted, this allowing in particular to access the site to be observed, externally as an articulated or endoscopic control arm, in particular via the operating channel of an endoscope, by moving the excitation source away.
Dans l'art antérieur, on connaît des appareillages d'imagerie de fluorescence destinés à l'observation en surface d'un site et comportant un guide d'image comprenant une fibre optique d'illumination du site. L'extrémité de la fibre optique est placée à une distance du site à observer et produit un faisceau d'excitation qui est divergent pour former une zone d'excitation à la surface du 30 tissu la plus grande possible. En variante, il est connu d'utiliser à la place de la fibre optique unique un faisceau constitué de plusieurs fibres optiques souples, voire plusieurs milliers de fibres optiques souples, qui sont excitées simultanément. La détection du signal de fluorescence s'effectue à l'aide d'une caméra vidéo CCD placée soit à l'extrémité proximale de la fibre optique (du côté - 2 du manipulateur), soit au bout distal de la fibre optique (du côté du tissu observé). In the prior art, fluorescence imaging devices are known intended for surface observation of a site and comprising an image guide comprising an optical fiber for illuminating the site. The end of the optical fiber is placed at a distance from the site to be observed and produces an excitation beam which is divergent to form a zone of excitation on the largest possible surface of the tissue. As a variant, it is known to use instead of the single optical fiber a bundle consisting of several flexible optical fibers, or even several thousand flexible optical fibers, which are excited simultaneously. The fluorescence signal is detected using a CCD video camera placed either at the proximal end of the optical fiber (on the side - 2 of the manipulator), or at the distal end of the optical fiber (on the side of the tissue observed).
Cet appareillage procure une image vidéo à l'échelle macroscopique de la surface du tissu. This apparatus provides a macroscopic video image of the surface of the tissue.
Plus récemment des appareillages d'imagerie confocale fibrée de 5 fluorescence ont été développés, destinés à l'observation d'un plan subsurfacique d'un site, mettant en oeuvre un guide d'image constitué d'un faisceau de milliers de fibres optiques souples qui est muni à son extrémité d'un tête optique de focalisation, cette fois devant être placée au contact du site. More recently, fluorescent confocal fibration imaging devices have been developed, intended for the observation of a subsurface plan of a site, using an image guide made up of a bundle of thousands of flexible optical fibers. which is provided at its end with a focusing optical head, this time having to be placed in contact with the site.
Chaque fibre optique est utilisée tour à tour pour véhiculer à la fois le signal 10 d'excitation et en retour pour véhiculer le signal de fluorescence émis, de manière à former dans un plan subsurfacique un balayage point à point du site à observer. L'appareillage comporte en outre du côté proximal du guide d'image, une source d'excitation, des moyens de balayage des fibres tour à tour, des moyens de détection de chaque signal de fluorescence émis et des moyens de 1 5 traitement de signal pour reconstruire une image numérisée du site à partir de chaque élément d'image véhiculé par une fibre. Each optical fiber is used in turn to convey both the excitation signal and in return to convey the fluorescence signal emitted, so as to form in a subsurface plane a point-to-point scan of the site to be observed. The apparatus further comprises, on the proximal side of the image guide, an excitation source, means for scanning the fibers in turn, means for detecting each fluorescence signal emitted and means for signal processing. to reconstruct a digitized image of the site from each image element carried by a fiber.
Le premier type d'appareillage possède une résolution latérale dite macroscopique car en général de l'ordre de 100 pm, permettant de ne visualiser que des éléments situés en surface, tandis que le second type d'appareillage dit 20 d'imagerie confocale possède une résolution latérale microscopique pouvant être de l'ordre de 2 prm permettant de visualiser des noyaux situés dans un plan à une profondeur comprise entre 20 et 100 pm. En outre, un appareillage d'imagerie confocale de ce type se caractérise avantageusement par une très bonne résolution axiale, de l'ordre de 10 pm, grâce à la focalisation du faisceau 25 d'excitation en sortie de chaque fibre qui permet de sélectionner un plan de coupe dans le tissu, grâce également à un filtrage spatial du signal de fluorescence émis à l'aide de la même fibre optique d'excitation et éventuellement grâce encore à un trou de filtrage placé devant le détecteur. The first type of device has a so-called macroscopic lateral resolution because in general of the order of 100 μm, making it possible to view only elements located on the surface, while the second type of device called confocal imaging device has a microscopic lateral resolution which can be of the order of 2 prm allowing the visualization of nuclei located in a plane at a depth of between 20 and 100 pm. In addition, a confocal imaging device of this type is advantageously characterized by a very good axial resolution, of the order of 10 μm, thanks to the focusing of the excitation beam 25 at the output of each fiber which makes it possible to select a section plane in the tissue, also thanks to spatial filtering of the fluorescence signal emitted using the same excitation optical fiber and possibly also thanks to a filtering hole placed in front of the detector.
Ces deux types d'appareillage d'imagerie de fluorescence permettent donc 30 d'observer un tissu sous deux aspects différents soit en surface avec une résolution latérale macroscopique, soit dans un plan subsurfacique avec une très bonne résolution latérale à l'échelle microscopique conférée par le caractère confocal de l'appareillage. These two types of fluorescence imaging apparatus therefore make it possible to observe tissue in two different aspects either on the surface with macroscopic lateral resolution, or in a subsurface plane with very good lateral resolution on the microscopic scale imparted by the confocal character of the apparatus.
La présente invention a pour premier objet de proposer un autre type de procédé et d'appareillage d'imagerie de fluorescence encore. The primary object of the present invention is to provide yet another type of fluorescence imaging method and apparatus.
Elle propose un procédé d'imagerie de fluorescence haute résolution utilisant un guide d'image fait de plusieurs milliers de fibres optiques, un signal 5 d'excitation étant émis par une source continue, dévié et injecté tour à tour dans l'une des fibres optiques dudit guide d'image et un signal de fluorescence émis en réaction étant collecté par la même fibre optique, puis détecté et numérisé pour former un élément d'image. Le procédé selon l'invention se caractérise par le fait que l'extrémité des fibres est placée à nue directement en contact de la 10 surface du tissu, chaque fibre étant adaptée à produire un faisceau divergent permettant d'exciter un micro-volume de tissu situé de la surface jusqu'à une profondeur maximale dépendante notamment du diamètre de coeur de ladite fibre optique. It proposes a high resolution fluorescence imaging method using an image guide made of several thousand optical fibers, an excitation signal being emitted by a continuous source, deflected and injected in turn into one of the fibers. optics of said image guide and a fluorescence signal emitted in reaction being collected by the same optical fiber, then detected and digitized to form an image element. The method according to the invention is characterized in that the end of the fibers is placed bare directly in contact with the surface of the tissue, each fiber being adapted to produce a divergent bundle making it possible to excite a micro-volume of tissue located from the surface to a maximum depth dependent in particular on the core diameter of said optical fiber.
A la différence de l'état de la technique, le procédé selon l'invention ne 15 prévoit pas de balayer un signal qui est focalisé en sortie de chaque fibre mais de balayer un signal qui est divergent en sortie de chaque fibre. Cela va à l'encontre de ce qu'il était d'usage de faire pour obtenir une image de fluorescence de l'intérieur d'un tissu qui soit de la meilleure qualité possible, c'est à dire provenant d'un plan de coupe. Pourtant il s'avère que grâce au procédé de l'invention, la 20 non focalisation du signal en sortie de fibres permet d'obtenir des images d'un volume situé juste sous la surface du tissu qui sont exploitables et intéressantes d'un point de vue médical. Ces images ne sont pas "confocales", car elles ne proviennent pas d'un plan de coupe subsurfacique balayé point à point, mais des images que l'on peut toutefois qualifier de "hautement résolues" car provenant du 25 balayage tour à tour de microvolumes situés directement sous la surface et d'un filtrage spatial du signal de fluorescence émis par chaque microvolume par la même fibre que celle ayant servie à l'excitation. Unlike the state of the art, the method according to the invention does not envisage scanning a signal which is focused at the output of each fiber but scanning a signal which is divergent at the output of each fiber. This goes against what it was customary to do to obtain a fluorescence image of the interior of a tissue which is of the best possible quality, that is to say coming from a plane of chopped off. However, it turns out that, by virtue of the method of the invention, the non-focusing of the signal at the output of the fibers makes it possible to obtain images of a volume located just below the surface of the tissue which are usable and interesting from a point from a medical point of view. These images are not "confocal" because they do not come from a subsurface sectional plane scanned point to point, but images which one can however describe as "highly resolved" because coming from the scanning in turn of microvolumes located directly below the surface and spatial filtering of the fluorescence signal emitted by each microvolume by the same fiber as that used for the excitation.
Le principal avantage découlant de la présente invention, réside dans le fait que pour une application endoscopique, le diamètre de la sonde 30 endoscopique peut être très petit dépendant uniquement du diamètre du guide d'image et donc de son nombre de fibres optiques. A titre d'exemple, pour un guide d'image de 6000 fibres présentent en général un diamètre de 330 pm alors que les sondes endoscopiques actuelles munies d'une tête optique ont un diamètre de quelques mm. On peut alors viser grâce à l'invention des domaines - 4 d'applications, comme par exemple le domaine de la neurologie, o la taille de la sonde endoscopique est un facteur critique en s'affranchissant des problèmes inhérents à la miniaturisation de la tête optique de focalisation. The main advantage arising from the present invention resides in the fact that for an endoscopic application, the diameter of the endoscopic probe can be very small depending solely on the diameter of the image guide and therefore on its number of optical fibers. By way of example, for an image guide of 6000 fibers generally have a diameter of 330 μm while current endoscopic probes provided with an optical head have a diameter of a few mm. We can then aim, thanks to the invention, to the fields of - 4 applications, such as for example the field of neurology, where the size of the endoscopic probe is a critical factor in overcoming the problems inherent in miniaturization of the head. focusing optics.
Selon l'invention, la taille des microvolumes excités et donc la profondeur 5 d'intégration du signal de fluorescence (profondeur maximale sous la surface), dépendent notamment du diamètre de coeur des fibres utilisées, de la distance inter-coeur, et de leur ouverture numérique (ON) que l'on préférera la plus grande possible pour collecter le maximum de photons. De préférence, on choisit un diamètre de coeur compris entre 1 et 4 pm correspondant en général à une 10 distance inter-coeur comprise entre 2 et 8 pm, permettant une profondeur d'intégration comprise entre 5 et 25 pm. Un traitement de signal réalisé sur le signal de flurorescence obtenu pour chaque microvolume permet de reconstruire une image dont la résolution axiale varie de 5 pm à 25 pm et la résolution latérale de 2 à 8 pm. Cela permet de visualiser des noyaux situés dans les deux à trois 1 5 premières couches cellulaires. Le traitement du signal de fluorescence pour reconstruire l'image peut être réalisé de la même manière que celui réalisé à partir d'un signal provenant d'un plan confocal comme expliqué dans la According to the invention, the size of the excited microvolumes and therefore the depth of integration of the fluorescence signal (maximum depth below the surface), depend in particular on the core diameter of the fibers used, the inter-core distance, and their numerical aperture (ON) which will be preferred as large as possible to collect the maximum of photons. Preferably, a core diameter of between 1 and 4 μm is chosen, generally corresponding to an inter-core distance of between 2 and 8 μm, allowing an integration depth of between 5 and 25 μm. A signal processing performed on the fluorescence signal obtained for each microvolume makes it possible to reconstruct an image whose axial resolution varies from 5 μm to 25 μm and the lateral resolution from 2 to 8 μm. This allows visualization of nuclei located in the first two to three cell layers. The processing of the fluorescence signal to reconstruct the image can be carried out in the same way as that carried out from a signal coming from a confocal plane as explained in the
description détaillée donnée ci-après. detailed description given below.
La présente invention propose également un appareillage pour la mise en 20 oeuvre du procédé mentionné ci-dessus. The present invention also provides an apparatus for carrying out the method mentioned above.
Elle propose un appareillage d'imagerie de fluorescence haute résolution comprenant: - un guide d'image constitué de milliers de fibres optiques; une source émettant en continu à la longueur d'onde d'excitation d'au moins un 25 fluorophore ciblé, - des moyens de balayage et d'injection fibre après fibre du faisceau d'excitation produit par la source dans un plan XY correspondant à la section d'entrée du guide d'image; - des moyens de séparation de la longueur d'onde d'excitation et des longueurs 30 d'onde de fluorescence; - des moyens de détection du signal de fluorescence; et - des moyens de traitement du signal détecté permettant la reconstruction d'une image; caractérisé en ce que: l'extrémité de chaque fibre est adaptée à produire un faisceau d'excitation qui est divergent et est destinée à être placée directement à nue au contact de la surface du tissu à observer. It offers high resolution fluorescence imaging equipment comprising: - an image guide made up of thousands of optical fibers; a source emitting continuously at the excitation wavelength of at least one targeted fluorophore, - scanning and fiber after fiber injection means of the excitation beam produced by the source in an XY plane corresponding to the input section of the image guide; means for separating the excitation wavelength and the fluorescence wavelengths; - means for detecting the fluorescence signal; and - means for processing the detected signal allowing the reconstruction of an image; characterized in that: the end of each fiber is adapted to produce an excitation beam which is divergent and is intended to be placed directly bare in contact with the surface of the tissue to be observed.
Selon le second objet de l'invention, le procédé et l'appareillage décrits cidessus sont plus spécialement adaptés à l'imagerie in situ in vivo en temps réel. According to the second object of the invention, the method and the apparatus described above are more particularly suitable for in situ in vivo imaging in real time.
Un tel procédé est caractérisé en ce que l'on dévie le signal d'excitation à une vitesse correspondant à l'acquisition d'un nombre d'images par seconde suffisant pour une utilisation en temps réel et en ce que l'on détecte le signal de 10 fluorescence à une fréquence de détection correspondant à une fréquence minimale d'échantillonnage des fibres une à une. Such a method is characterized in that the excitation signal is deflected at a speed corresponding to the acquisition of a number of frames per second sufficient for use in real time and in that the fluorescence signal at a detection frequency corresponding to a minimum fiber sampling frequency one by one.
Le respect de l'échantillonnage des fibres (selon le critère de Shannon) permet d'obtenir une image point à point correspondant bien à chaque fibre. Cela permet de ne pas perdre d'information en échantillonnant l'ensemble des fibres 1 5 une à une tout en respectant un nombre moyen minimal d'images par seconde, à savoir en pratique au minimum 12 images par secondes pour un mode maximal de 640 x 640 pixels. Le choix de la fréquence de détection (bande passante du détecteur) en fonction de cet échantillonnage minimal permet ensuite pour chaque fibre de détecter le plus grand nombre possible de photons de 20 fluorescence. Respecting the sampling of the fibers (according to Shannon's criterion) makes it possible to obtain a point-to-point image corresponding well to each fiber. This allows not to lose information by sampling all of the fibers 1 5 one by one while respecting a minimum average number of images per second, namely in practice at least 12 images per second for a maximum mode of 640 x 640 pixels. The choice of the detection frequency (bandwidth of the detector) as a function of this minimum sampling then makes it possible for each fiber to detect the greatest possible number of fluorescence photons.
Ainsi, selon un mode de réalisation possible, mettant en oeuvre un guide d'image d'environ 30 000 fibres optiques souples, la fréquence d'échantillonnage et la bande passante du système de détection (une photodiode à avalanche ou équivalent) sont fixés sensiblement à 1,5 MHz, correspondant environ à 12 pixels 25 par fibre, permettant alors d'obtenir au minimum les 12 images/s en mode maximal 640 x 640 pixels. Thus, according to a possible embodiment, using an image guide of approximately 30,000 flexible optical fibers, the sampling frequency and the bandwidth of the detection system (an avalanche photodiode or equivalent) are substantially fixed. at 1.5 MHz, corresponding to approximately 12 pixels 25 per fiber, thus making it possible to obtain a minimum of 12 images / s in maximum mode 640 × 640 pixels.
En pratique, selon un mode de réalisation avantageux, permettant un balayage rapide approprié des fibres pour obtenir une image en temps réel, la déviation du faisceau est réglée en déterminant une fréquence de résonance 30 rapide d'un miroir résonnant " ligne " et une fréquence de résonance lente d'un miroir galvanométrique " trame ". In practice, according to an advantageous embodiment, allowing suitable rapid scanning of the fibers to obtain a real-time image, the deflection of the beam is adjusted by determining a rapid resonant frequency of a "line" resonant mirror and a frequency of slow resonance of a galvanometric "frame" mirror.
Selon l'invention, la durée de détection d'un flux en provenance d'une fibre est limitée dans le temps et très courte pour respecter l'acquisition d'une image en temps réel. Selon l'invention, on a donc en outre prévu des moyens - 6 d'optimisation pour collecter et détecter le maximum de flux en provenance de l'échantillon pendant cette durée de détection limitée, notamment: - on utilise des moyens optiques de déviation, d'injection, de focalisation et de détection présentant un degré d'achromaticité dépendant de l'écart en 5 longueur d'onde entre la longueur d'onde d'excitation et la longueur d'onde maximale de fluorescence, ainsi que de la largeur spectrale du signal de fluorescence émis; cela permet avantageusement d'optimiser le flux de fluorescence collecté sur toute la bande spectrale de fluorescence émise; et - on choisit un détecteur ayant une efficacité quantique aux longueurs 10 d'ondes de fluorescence à détecter d'au moins 50%. According to the invention, the duration of detection of a stream coming from a fiber is limited in time and very short to respect the acquisition of an image in real time. According to the invention, there are therefore further provided optimization means - 6 for collecting and detecting the maximum flow coming from the sample during this limited detection period, in particular: - optical deflection means are used, injection, focusing and detection with a degree of achromaticity depending on the difference in wavelength between the excitation wavelength and the maximum fluorescence wavelength, as well as the width spectral of the fluorescence signal emitted; this advantageously makes it possible to optimize the fluorescence flux collected over the entire spectral band of fluorescence emitted; and - a detector having a quantum efficiency at the wavelengths of fluorescence to be detected of at least 50% is chosen.
Selon l'invention, le traitement d'image réalisé ensuite sur le flux détecté est également optimisé, pour obtenir une image de très bonne qualité à partir de ce flux limité de photons détectés. Cette optimisation est réalisée de la manière suivante. According to the invention, the image processing then carried out on the detected flux is also optimized, in order to obtain a very good quality image from this limited flux of detected photons. This optimization is carried out as follows.
1 5 Une série d'étapes est réalisée préalablement à l'acquisition d'images en temps réel: - une étape de détection de l'emplacement de chaque fibre d'un ensemble choisi de fibres destinés à être utilisées (soit l'ensemble du guide d'image soit un sous-ensemble choisi) ; cette étape est à réaliser 20 au moins à chaque changement de guide d'image; - une étape de calibration du taux d'injection dans chaque fibre, c'est à dire de définition d'un taux d'injection propre à chaque fibre; et - une étape de détection de l'image de fond (sans échantillon). 1 5 A series of steps is carried out prior to the acquisition of images in real time: - a step of detecting the location of each fiber of a chosen set of fibers intended to be used (ie the whole of the image guide or a selected subset); this step is to be carried out at least on each change of image guide; a step for calibrating the injection rate in each fiber, that is to say defining an injection rate specific to each fiber; and a step for detecting the background image (without sample).
En fonctionnement, l'optimisation du traitement d'image comprend 25 notamment les étapes consistant, après numérisation du signal détecté: - à définir le flux réel collecté par chaque fibre c'est-à-dire ne provenant que de l'échantillon, après correction en fonction du taux d'injection propre de la fibre et de la soustraction de l'image du fond, de manière à obtenir un signal corrigé; - puis à effectuer une reconstruction de l'image à partir de ce signal corrigé, avec pour but notamment de transformer une image présentant une mosaïque de fibres en une image sans fibres apparentes. In operation, the optimization of the image processing comprises in particular the steps consisting, after digitization of the detected signal: - in defining the real flux collected by each fiber, that is to say coming only from the sample, after correction as a function of the own injection rate of the fiber and of the subtraction of the background image, so as to obtain a corrected signal; - Then to carry out a reconstruction of the image from this corrected signal, with the aim in particular of transforming an image having a mosaic of fibers into an image without apparent fibers.
Selon l'invention, ces deux dernières étapes doivent être réalisables en temps réel. Pour ce qui est de la correction du signal, celle-ci peut se faire en temps réel grâce à un traitement adapté à la structure du signal observé et un algorithme optimisé. Pour ce qui est de la reconstruction de l'image, elle peut se 5 faire grâce au choix d'un nombre d'opérations par pixel réalisables en temps réel permettant d'obtenir le résultat recherché en terme de qualité d'image. Un filtrage passe-bas Gaussien représente un bon compromis entre la complexité du traitement, la qualité du résultat et le temps de calcul. According to the invention, these last two steps must be possible in real time. With regard to signal correction, this can be done in real time thanks to processing adapted to the structure of the signal observed and an optimized algorithm. As regards the reconstruction of the image, this can be done by the choice of a number of operations per pixel achievable in real time making it possible to obtain the desired result in terms of image quality. Gaussian low-pass filtering represents a good compromise between the complexity of the processing, the quality of the result and the calculation time.
Pour gagner du temps et augmenter la complexité du traitement 10 correspondant à la reconstruction de l'image, on peut aussi augmenter la capacité de traitement du matériel, par exemple en utilisant une carte de traitement spécifique et/ou une architecture parallèle comme un multiprocesseur. To save time and increase the complexity of the processing corresponding to the reconstruction of the image, it is also possible to increase the processing capacity of the hardware, for example by using a specific processing card and / or a parallel architecture such as a multiprocessor.
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, 1 5 description faite en référence aux dessins sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un appareillage selon l'invention; et - la figure 2 est une vue de détail de l'extrémité d'une fibre optique dans un appareillage selon l'invention; et Selon l'exemple choisi et représenté sur les figures 1 et 2, l'appareillage 20 comporte: - une source lumineuse 1 - des moyens 2 de mise en forme du faisceau d'excitation; - des moyens 3 de séparation de longueurs d'onde; - des moyens 4 de balayage; - des moyens 5 d'injection de faisceau; - un guide d'image 6 constitué de fibres optiques souples; - des moyens 8 de réjection du faisceau d'excitation; - des moyens 9 de focalisation du signal de fluorescence; - des moyens 10 de filtrage spatial du signal de fluorescence; 30 - des moyens 11 de détection du signal de fluorescence; et - des moyens 12 de traitement électronique et informatique du signal de fluorescence détecté et de visualisation. The present invention will be better understood and other advantages will appear in the light of the description which follows of embodiments, 1 description made with reference to the drawings in which: - Figure 1 is a schematic view of an apparatus according to the invention; and - Figure 2 is a detail view of the end of an optical fiber in an apparatus according to the invention; and According to the example chosen and shown in Figures 1 and 2, the apparatus 20 comprises: - a light source 1 - means 2 for shaping the excitation beam; - Wavelength separation means 3; - scanning means 4; - means 5 for beam injection; - an image guide 6 consisting of flexible optical fibers; - Means 8 for rejection of the excitation beam; - means 9 for focusing the fluorescence signal; means 10 for spatial filtering of the fluorescence signal; Means 11 for detecting the fluorescence signal; and means 12 for electronic and computer processing of the detected fluorescence signal and for display.
Ces différents éléments sont détaillés ci-après. - 8 These various elements are detailed below. - 8
La source lumineuse 1 est un laser émettant à une longueur d'onde d'excitation permettant d'exciter une grande gamme de fluorophores, par exemple 488 nm. Pour optimiser l'injection dans l'une des fibres du guide d'image 6, le faisceau d'excitation est circulaire pour pouvoir injecter une fibre de section 5 également circulaire et, pour optimiser le taux d'injection, le laser est de préférence monomode longitudinal pour présenter le meilleur front d'onde possible pour l'injection dans une fibre optique faiblement multimode. Le laser émet de manière continue et stable (bruit le plus faible possible, <1%). La puissance en sortie disponible est de l'ordre de 20mW. A titre d'exemples, on 10 peut utiliser un laser à puits quantiques (VCSEL), un laser solide pompé par diode, une diode laser ou encore un laser à gaz tel que l'Argon. The light source 1 is a laser emitting at an excitation wavelength making it possible to excite a wide range of fluorophores, for example 488 nm. To optimize the injection into one of the fibers of the image guide 6, the excitation beam is circular in order to be able to inject a fiber of section 5 also circular and, to optimize the injection rate, the laser is preferably longitudinal singlemode to present the best possible wavefront for injection into a weakly multimode optical fiber. The laser emits continuously and steadily (lowest possible noise, <1%). The available output power is around 20mW. As examples, one can use a quantum well laser (VCSEL), a diode pumped solid laser, a laser diode or even a gas laser such as Argon.
En sortie de la source 1, sont placés les moyens 2 de mise en forme du faisceau laser d'excitation. Ils sont constitués d'un système optique afocal de grandissement différent de 1, composé de deux lentilles Ll et L2 qui permettent 1 5 de modifier le diamètre du faisceau laser. Le grandissement est calculé de sorte que le diamètre du faisceau soit adapté aux moyens d'injection 5 dans une fibre. At the output of the source 1, the means 2 for shaping the excitation laser beam are placed. They consist of an afocal optical system of magnification different from 1, composed of two lenses L1 and L2 which make it possible to modify the diameter of the laser beam. The magnification is calculated so that the diameter of the beam is adapted to the means of injection 5 into a fiber.
Le faisceau laser d'excitation remis en forme est ensuite dirigé vers les moyens 3 prévus pour séparer les longueurs d'ondes d'excitation et de fluorescence. Il s'agit par exemple d'un filtre dichroïque ayant une efficacité de 20 transmission de 98 à 99 % de la longueur d'onde d'excitation et qui réfléchit donc sensiblement les autres longueurs d'onde. Le signal de fluorescence, empruntant au retour le même chemin optique que le signal d'excitation, sera ainsi envoyé pratiquement totalement vers la voie de détection (8-11). Les moyens de réjection 8 placés sur la voie de détection servent à éliminer totalement les 1 à 2 25 % de réflexions parasites à la longueur d'onde d'excitation 488 nm qui passent vers la voie de détection (par exemple un filtre de réjection à 488 nm ou un filtre passe bande ne permettant par exemple qu'une transmission entre 500 et 600 nm). The reshaped excitation laser beam is then directed towards the means 3 provided for separating the excitation and fluorescence wavelengths. It is for example a dichroic filter having a transmission efficiency of 98 to 99% of the excitation wavelength and which therefore substantially reflects the other wavelengths. The fluorescence signal, taking the same optical path as the excitation signal on return, will thus be sent almost completely to the detection channel (8-11). The rejection means 8 placed on the detection channel serve to completely eliminate the 1 to 2 25% of parasitic reflections at the excitation wavelength 488 nm which pass to the detection channel (for example a rejection filter at 488 nm or a bandpass filter allowing for example only a transmission between 500 and 600 nm).
Les moyens de balayage 4 reprennent ensuite le faisceau d'excitation. 30 Selon l'exemple choisi et représenté sur la figure 1, ces moyens comprennent un miroir Ml résonant à 4 KHz servant à dévier le faisceau horizontalement et donc à réaliser les lignes de l'image, d'un miroir M2 galvanométrique à 15 Hz servant à dévier le faisceau verticalement et donc à réaliser la trame de l'image; et de deux systèmes afocaux de grandissement unitaire, AF1 situé entre les deux miroirs et AF2 situé après le miroir M2, ces systèmes afocaux étant utilisés pour conjuguer les plans de rotation des deux miroirs Ml et M2 avec le plan d'injection dans l'une des fibres. Selon le second objet de l'invention, la vitesse de balayage est fixée pour permettre une observation des tissus in vivo in situ en temps réel. 5 Pour cela, le balayage doit être suffisamment rapide pour qu'il y ait au moins 12 images I s affichées à l'écran pour un mode d'affichage de 640 x 640 pixels correspondant au mode le plus lent. Pour les modes d'affichage ayant moins de pixels, le nombre d'images acquises par seconde sera ainsi toujours supérieur à 12 images / s. En variante, les moyens de balayage peuvent comprendre 10 notamment un miroir rotatif, des composants intégrés de type MEMs (miroirs de balayage X et Y), ou un système acousto-optique. The scanning means 4 then resume the excitation beam. According to the example chosen and represented in FIG. 1, these means comprise a mirror M1 resonating at 4 KHz serving to deflect the beam horizontally and therefore to produce the lines of the image, of a galvanometric mirror M2 at 15 Hz serving deflecting the beam vertically and therefore producing the frame of the image; and two afocal systems of unit magnification, AF1 located between the two mirrors and AF2 located after the mirror M2, these afocal systems being used to combine the planes of rotation of the two mirrors Ml and M2 with the injection plane in one fibers. According to the second object of the invention, the scanning speed is fixed to allow observation of the tissues in vivo in situ in real time. 5 For this, the scanning must be fast enough so that there are at least 12 images I s displayed on the screen for a display mode of 640 × 640 pixels corresponding to the slowest mode. For display modes with fewer pixels, the number of images acquired per second will thus always be greater than 12 images / s. As a variant, the scanning means can comprise in particular a rotary mirror, integrated components of the MEMs type (X and Y scanning mirrors), or an acousto-optical system.
Le faisceau d'excitation dévié en sortie des moyens de balayage est dirigé vers les moyens optiques 5 afin d'être injecté dans l'une des fibres du guide d'image 6. Ces moyens 5 sont constitués ici de deux ensembles optiques El et 1i5 E2. Le premier ensemble optique El permet de corriger en partie les aberrations optiques en bord de champ des moyens de balayage 4, l'injection étant ainsi optimisée sur l'ensemble du champ optique (au centre comme au bord). Le second ensemble optique E2 est destiné à réaliser l'injection proprement dite. Sa focale et son ouverture numérique ont été choisies pour optimiser le taux 20 d'injection dans les fibres optiques du guide 6. Selon un mode de réalisation permettant d'obtenir le critère d'achromaticité, le premier ensemble El est constitué d'un doublet de lentilles, et le second ensemble E2 de deux doublets de lentilles suivi d'une lentille située près du guide d'image. En variante, cette optique d'injection pourrait être constituée de tout autre type d'optiques 25 standards, comme par exemple deux triplets, ou de lentilles à gradient d'indice ou bien d'un objectif de microscope (toutefois plus coûteux). The excitation beam deflected at the output of the scanning means is directed towards the optical means 5 in order to be injected into one of the fibers of the image guide 6. These means 5 consist here of two optical assemblies El and 1i5 E2. The first optical assembly El makes it possible to partially correct the optical aberrations at the edge of the field of the scanning means 4, the injection being thus optimized over the entire optical field (at the center as well as at the edge). The second optical assembly E2 is intended to carry out the injection proper. Its focal length and its digital aperture have been chosen to optimize the rate of injection into the optical fibers of the guide 6. According to one embodiment making it possible to obtain the achromaticity criterion, the first set El consists of a doublet of lenses, and the second set E2 of two pairs of lenses followed by a lens located near the image guide. As a variant, this injection optic could consist of any other type of standard optics, such as for example two triplets, or lenses with an index gradient or else a microscope objective (however more expensive).
Le guide d'image 6 peut être composé sensiblement de 5 000 à 100 000 fibres optiques souples, selon le diamètre extérieur du guide que l'on souhaite, qui est lui même fonction de l'application visée (endoscopique, taille de champ 30 recherché, etc.). Il peut s'agir par exemple de guides d'images commercialisés par la société FUJIKURA. Le diamètre de coeur des fibres est de préférence compris entre 1 et 4 pm. Cela conduit à une divergence de faisceau en sortie de la fibre présentant un angle d'environ 180 pour une ouverture numérique de 0,42 dans l'eau. Un diamètre de coeur de l pm peut être obtenu grâce à un procédé - 10 d'étirement de l'extrémité de l'ensemble du guide d'image. L'extrémité du guide 6 est polie et ne comporte pas de moyens optiques. Le polissage a pour but de conférer le même état de surface à la face du guide et donc aux fibres nues au contact du tissu pour, d'une part que le fond de l'image obtenu soit le plus 5 homogène possible et, d'autre part, pour supprimer les éventuels problèmes d'adhérence des fibres avec le tissu qui risquerait de l'abîmer. Le polissage peut être plan ou arrondi pour épouser la forme du tissu. L'ouverture numérique de chaque fibre optique est de préférence choisie la plus grande possible pour collecter le maximum de photons de fluorescence, c'est à dire par exemple de 10 0,42. La distance inter-coeur confère la résolution latérale de l'image obtenue (distance entre deux points de l'image). Plus cette distance sera petite, meilleure sera la résolution, en revanche cela se fera au détriment de la taille du champ à imager. Il convient donc de trouver un bon compromis entre le nombre de fibres du guide et la distance inter-coeur entre les fibres pour obtenir une bonne 1i5 résolution latérale (entre 2 et 8 pm) avec une taille de champ appropriée pour observer les éléments tissulaires souhaités. The image guide 6 can be composed of approximately 5,000 to 100,000 flexible optical fibers, depending on the outside diameter of the guide that is desired, which itself depends on the intended application (endoscopic, field size 30 sought , etc.). They may, for example, be image guides marketed by the company FUJIKURA. The core diameter of the fibers is preferably between 1 and 4 μm. This leads to a beam divergence at the exit of the fiber having an angle of about 180 for a numerical aperture of 0.42 in water. A core diameter of 1 µm can be obtained by a method of stretching the end of the entire image guide. The end of the guide 6 is polished and does not include optical means. The purpose of polishing is to give the same surface condition to the face of the guide and therefore to the bare fibers in contact with the fabric so that, on the one hand, the background of the image obtained is as homogeneous as possible and, on the other hand, to eliminate the possible problems of adhesion of the fibers with the fabric which would risk damaging it. The polishing can be flat or rounded to match the shape of the fabric. The digital aperture of each optical fiber is preferably chosen to be as large as possible in order to collect the maximum of fluorescence photons, that is to say for example 10 0.42. The inter-core distance gives the lateral resolution of the image obtained (distance between two points of the image). The smaller this distance, the better the resolution, however it will be at the expense of the size of the field to be imaged. It is therefore necessary to find a good compromise between the number of guide fibers and the inter-core distance between the fibers to obtain good lateral resolution (between 2 and 8 μm) with an appropriate field size for observing the desired tissue elements. .
Deux exemples de guides pouvant convenir selon l'invention sont donnés ciaprès: Exemple 1 Exemple 2 Nombre de fibres 6 000 30 000 Diamètre de champ imagé 300 iim 650 Flm Diamètre extérieur du guide 330 Uim 750 jlm Diamètre de coeur d'une fibre 3 Ftm 1,9 p.m Distance inter-coeur 4 jm 3,3 jlm Profondeur maximale d'intégration du signal depuis 15-20 im 10-15 jlm la surface (schématisé par le plan P sur la figure 1) ou résolution axiale Résolution latérale 4 Flm 3,3 am - 11 En fonctionnement, l'extrémité distale du guide d'image est mise au contact de l'échantillon 13, la face d'extrémité des fibres étant ainsi directement au contact de la surface du tissu. Ce dernier est un tissu biologique ou une culture cellulaire. L'expression de la fluorescence est réalisée soit par un 5 fluorophore que l'on injecte (fluorescence systémique), soit par un fluorophore fabriqué par la cellule elle même par modification d'un gêne (fluorescence transgénique). Dans ces deux cas, le fluorophore présent dans le micro-volume excité selon l'invention re-émet des photons sur une bande spectrale plus ou moins grande pouvant aller d'une dizaine de nanomètres à plus d'une centaine 10 de nanomètres. Two examples of guides that may be suitable according to the invention are given below: Example 1 Example 2 Number of fibers 6,000 30,000 Image field diameter 300 iim 650 Flm Outside diameter of the guide 330 Uim 750 jlm Core diameter of a fiber 3 Ftm 1.9 pm Inter-core distance 4 jm 3.3 jlm Maximum signal integration depth from 15-20 im 10-15 jlm the surface (shown schematically by the plane P in Figure 1) or axial resolution Lateral resolution 4 Flm 3.3 am - 11 In operation, the distal end of the image guide is brought into contact with the sample 13, the end face of the fibers thus being directly in contact with the surface of the tissue. The latter is biological tissue or cell culture. The expression of fluorescence is carried out either by a fluorophore which is injected (systemic fluorescence), or by a fluorophore produced by the cell itself by modification of a gene (transgenic fluorescence). In these two cases, the fluorophore present in the excited micro-volume according to the invention re-emits photons over a spectral band more or less large which can range from ten nanometers to more than one hundred nanometers.
Sur la voie de détection, le signal de fluorescence, en sortie du filtre de réjection 8, est ensuite focalisé par les moyens 9, constitués par exemple d'une lentille de détection, dans un trou de filtrage des moyens 10 de filtrage spatial. La focale de la lentille de détection est calculée pour que le signal de fluorescence 1 5 provenant d'une fibre soit de la taille ou légèrement inférieure à celle du trou de filtrage. Ce dernier permet de conserver la lumière de fluorescence ne provenant que de la fibre illuminée par le faisceau incident. Il permet de rejeter la lumière qui aurait pu être couplée dans les fibres adjacentes à celle qui est illuminée. La taille du trou est calculée pour que l'image d'une fibre s'y inscrive parfaitement. 20 Par ailleurs, dans un souci d'optimiser la quantité de photons traversant le trou de filtrage, et donc le flux détecté, les moyens de balayage 4, les moyens d'injection 5 et les moyens de détection 8, 9 et 10 sont adaptés au fluorophore détecté: ces moyens sont choisis pour être suffisamment achromatiques pour collecter des photons sur la bande la plus large d'émission du fluorophore. On the detection channel, the fluorescence signal, at the output of the rejection filter 8, is then focused by the means 9, consisting for example of a detection lens, in a filtering hole of the spatial filtering means 10. The focal length of the detection lens is calculated so that the fluorescence signal 1 5 from a fiber is the size or slightly smaller than that of the filtering hole. The latter makes it possible to conserve the fluorescence light coming only from the fiber illuminated by the incident beam. It allows to reject the light which could have been coupled in the fibers adjacent to that which is illuminated. The size of the hole is calculated so that the image of a fiber fits perfectly into it. Furthermore, in order to optimize the quantity of photons passing through the filtering hole, and therefore the detected flux, the scanning means 4, the injection means 5 and the detection means 8, 9 and 10 are suitable. to the detected fluorophore: these means are chosen to be sufficiently achromatic to collect photons on the broadest emission band of the fluorophore.
Les moyens de détection 11 ont une sensibilité maximale aux longueurs d'onde de fluorescence étudiées. On peut utiliser par exemple une photodiode à avalanches (APD) ou bien un photomultiplicateur. Par ailleurs, pour obtenir une image en temps réel, la bande passante est choisie de préférence pour optimiser le temps d'intégration du signal de fluorescence. Elle est de 1,5 MHz, ce qui 30 correspond à la fréquence d'échantillonnage minimale du guide d'image avec un temps d'intégration optimisé sur chaque pixel. - 12 The detection means 11 have maximum sensitivity to the fluorescence wavelengths studied. One can use for example an avalanche photodiode (APD) or a photomultiplier. Furthermore, to obtain an image in real time, the bandwidth is preferably chosen to optimize the integration time of the fluorescence signal. It is 1.5 MHz, which corresponds to the minimum sampling frequency of the image guide with an optimized integration time on each pixel. - 12
Les moyens électroniques et informatiques 12 de commande, d'analyse et de traitement numérique du signal détecté et de visualisation comprennent les cartes suivantes: - une carte de synchronisation 20 qui a pour fonctions: - de commander de manière synchronisée le balayage, c'est-à-dire le mouvement des miroirs ligne Ml et trame M2; - de connaître à tout instant la position du spot laser ainsi balayé ; et - de gérer toutes les autres cartes par l'intermédiaire d'un microcontrôleur lui-même pouvant être piloté; - une carte détecteur 21 qui comprend un circuit analogique qui réalise notamment une adaptation d'impédance, un convertisseur analogique numérique puis un composant logique programmable (par exemple un circuit FPGA) qui met en forme le signal; - une carte d'acquisition numérique 22 qui permet de traiter un flot de données 15 numériques à fréquence variable et de l'afficher sur un écran 23; - une carte graphique 24. The electronic and computer means 12 for controlling, analyzing and digitally processing the detected signal and for displaying includes the following cards: - a synchronization card 20 which has the following functions: - to synchronously control the scanning, this is ie the movement of line mirrors Ml and frame M2; - to know at all times the position of the laser spot thus scanned; and to manage all the other cards by means of a microcontroller itself which can be controlled; a detector card 21 which includes an analog circuit which in particular performs an impedance matching, an analog digital converter then a programmable logic component (for example an FPGA circuit) which formats the signal; a digital acquisition card 22 which makes it possible to process a stream of digital data 15 at variable frequency and to display it on a screen 23; - a graphics card 24.
En variante, on peut utiliser une seule carte regroupant les fonctionnalités de ces différentes cartes. Alternatively, one can use a single card combining the functionality of these different cards.
Le traitement d'image se fait de la manière suivante. Image processing is done as follows.
A la mise en place d'un guide d'image dans l'appareillage, une première opération est effectuée pour reconnaître le motif des fibres dans le guide d'image, et donc connaître l'emplacement réel de chaque fibre destinée à être utilisée. When an image guide is placed in the apparatus, a first operation is carried out to recognize the pattern of the fibers in the image guide, and therefore to know the real location of each fiber intended to be used.
Les opérations suivantes sont également réalisées préalablement à 25 l'utilisation de l'appareillage: - la détermination du taux d'injection propre à chaque fibre, à l'aide d'un échantillon homogène, ce taux d'injection pouvant varier d'une fibre à une autre et - la mesure de l'image de fond, effectuée sans échantillon. The following operations are also carried out prior to the use of the apparatus: the determination of the injection rate specific to each fiber, using a homogeneous sample, this injection rate possibly varying from one fiber to another and - the measurement of the background image, carried out without sample.
Ces deux opérations peuvent être réalisées régulièrement en fonction de la fréquence d'utilisation de l'appareillage. Les résultats obtenus vont être utilisés pour corriger en fonctionnement le signal numérique en sortie de la carte détecteur. - 13 These two operations can be performed regularly depending on the frequency of use of the equipment. The results obtained will be used to correct in operation the digital signal at the output of the detector card. - 13
En fonctionnement, selon l'invention 2 groupes de traitements sont effectués sur le signal numérique en sortie de la carte détecteur: Le premier groupe consiste dans un premier temps à corriger le signalnumérique notamment pour tenir compte du taux propre réel d'injection de la fibre 5 dont est issu ledit signal et pour lui soustraire la partie du flux correspondant à l'image de fond. Cela permet de ne traiter qu'un signal correspondant réellement à l'échantillon observé. On utilise pour ce groupe de traitement un algorithme de calcul classique qui est optimisable pour respecter le cas échéant la contrainte du temps réel. In operation, according to the invention, 2 processing groups are carried out on the digital signal at the output of the detector card: The first group consists firstly of correcting the digital signal in particular to take account of the actual natural rate of injection of the fiber. 5 from which said signal comes and to subtract from it the part of the flux corresponding to the background image. This makes it possible to process only a signal actually corresponding to the sample observed. For this processing group, a conventional calculation algorithm is used which can be optimized to respect, if necessary, the constraint of real time.
Le second groupe consiste ensuite, à partir du signal corrigé, à reconstruire l'image numérique qui sera visualisée par le praticien. Le but du traitement effectué est d'offrir à la visualisation une image numérique reconstituée qui ne soit pas simplement une mosaïque d'éléments d'image correspondant chacun à un signal numérique corrigé d'une fibre mis côte à côte, 1 5 mais d'offrir une image numérique reconstituée qui ne fasse plus apparaître les fibres. On utilise pour cela un algorithme destiné à effectuer un certain nombre d'opérations sur chaque pixel, l'algorithme étant choisi pour respecter la contrainte de temps réel, c'est à dire qu'il doit représenter un bon compromis entre la complexité des opérations demandées, la qualité du résultat que l'on 20 peut obtenir et le temps de calcul. A titre d'exemple, on peut utiliser un algorithme de filtrage passe-bas Gaussien. The second group then consists, from the corrected signal, of reconstructing the digital image which will be displayed by the practitioner. The aim of the processing carried out is to offer the display a reconstructed digital image which is not simply a mosaic of image elements each corresponding to a digital signal corrected by a fiber placed side by side, 1 5 but of offer a reconstructed digital image that no longer reveals the fibers. We use for this an algorithm intended to perform a certain number of operations on each pixel, the algorithm being chosen to respect the real time constraint, that is to say that it must represent a good compromise between the complexity of the operations. requested, the quality of the result that can be obtained and the calculation time. As an example, a Gaussian low-pass filtering algorithm can be used.
Le fonctionnement de l'appareillage est le suivant. La source 1 produit un faisceau parallèle circulaire d'excitation à À=488 nm, qui est ensuite remis en forme dans le système afocal 2 afin de lui donner la taille adéquate pour la 25 meilleure injection possible dans le coeur d'une fibre. Ce faisceau est ensuite envoyé vers le système de séparation dichroïque 3 qui réfléchit la longueur d'onde d'excitation. Le faisceau incident est ensuite dévié angulairement dans le temps dans les deux directions de l'espace par le système de balayage optomécanique de miroirs 4, et injecté grâce aux moyens optiques d'injection 5 30 dans l'une des fibres du guide d'image 6. Les moyens électroniques 12 servent à commander l'injection à un instant donné de l'une des fibres optiques du guide d'image en déviant angulairement le faisceau au moyen des miroirs, et ce point par point pour une ligne donnée, et ligne après ligne, pour constituer l'image. En sortie du guide, la lumière divergente émergeant de la fibre injectée est diffusée - 14 dans un microvolume de l'échantillon situé entre la surface et une profondeur maximale de 25 pm (selon le diamètre de coeur des fibres et leur ON). Grâce au balayage, l'échantillon est illuminé micro-volume par micro-volume. A chaque instant, le micro-volume excité dans le tissu émet alors un signal de fluorescence 5 qui a la particularité d'être décalé vers des plus grandes longueurs d'onde. Ce signal de fluorescence est capté par la même fibre optique que celle ayant servie à l'excitation, puis suit le chemin inverse du faisceau d'excitation jusqu'au filtre dichroique 3 qui va transmettre le signal de fluorescence vers la voie de détection. Les réflexions parasites se produisant à la longueur d'onde d'excitation 10 vont ensuite être rejetées par le filtre de réjection 8. Enfin, le signal de fluorescence est focalisé dans le trou de filtrage 10 pour ne sélectionner que la lumière provenant de la fibre excitée et les photons sont détectés par la photodiode à avalanche 11. Le signal détecté est ensuite numérisé et corrigé. The operation of the apparatus is as follows. The source 1 produces a circular parallel excitation beam at λ = 488 nm, which is then reshaped in the afocal system 2 in order to give it the adequate size for the best possible injection into the core of a fiber. This beam is then sent to the dichroic separation system 3 which reflects the excitation wavelength. The incident beam is then deflected angularly in time in both directions of space by the optomechanical scanning system of mirrors 4, and injected by means of the optical injection means 5 30 into one of the fibers of the image guide. 6. The electronic means 12 serve to control the injection at a given instant of one of the optical fibers of the image guide by angularly deflecting the beam by means of the mirrors, and this point by point for a given line, and line after line, to constitute the image. At the outlet of the guide, the diverging light emerging from the injected fiber is scattered - 14 in a microvolume of the sample located between the surface and a maximum depth of 25 µm (depending on the core diameter of the fibers and their ON). Thanks to scanning, the sample is illuminated micro-volume by micro-volume. At each instant, the micro-volume excited in the tissue then emits a fluorescence signal 5 which has the particularity of being shifted towards longer wavelengths. This fluorescence signal is picked up by the same optical fiber as that used for the excitation, then follows the reverse path of the excitation beam to the dichroic filter 3 which will transmit the fluorescence signal to the detection channel. The parasitic reflections occurring at the excitation wavelength 10 will then be rejected by the rejection filter 8. Finally, the fluorescence signal is focused in the filtering hole 10 to select only the light coming from the fiber excited and the photons are detected by the avalanche photodiode 11. The detected signal is then digitized and corrected.
Les signaux détectés, les uns après les autres, sont traités en temps réel grâce 1 5 au traitement d'image décrit plus haut pour permettre la reconstruction d'une image en temps réel visualisée à l'écran. - The detected signals, one after the other, are processed in real time by virtue of the image processing described above to allow reconstruction of a real-time image viewed on the screen. -
Claims (27)
Priority Applications (15)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR0209099A FR2842407B1 (en) | 2002-07-18 | 2002-07-18 | "METHOD AND APPARATUS OF FIBROUS CONFOCAL FLUORESCENCE IMAGING" |
FR0302972A FR2852394B1 (en) | 2003-03-11 | 2003-03-11 | HIGH RESOLUTION FIBROUS FLUORESCENCE IMAGING METHOD AND APPARATUS |
CNB038218151A CN100407985C (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and equipment for fiber optic high-resolution fluorescence imaging |
AT03755595T ATE468069T1 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | METHOD AND DEVICE FOR HIGH-RESOLUTION FLUORESCENT IMAGING WITH OPTICAL FIBERS AND IN PARTICULAR CONFOCAL IMAGING |
KR10-2005-7000838A KR20050021492A (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and equipment for fiber optic high-resolution, in particular confocal, fluorescence imaging |
AU2003273437A AU2003273437B2 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and apparatus for fibred high-resolution fluorescence imaging, in particular confocal imaging |
PCT/FR2003/002196 WO2004008952A1 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and equipment for fiber optic high-resolution, in particular confocal, fluorescence imaging |
US10/521,607 US7447539B2 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and equipment for fiber optic high-resolution, in particular confocal, fluorescence imaging |
DE60332630T DE60332630D1 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | METHOD AND DEVICE FOR HIGH-RESOLUTION FLUORESCENT ILLUMINATION WITH OPTICAL FIBERS AND IN PARTICULAR CONFOCUS IMAGING |
EP08159710A EP1986031A3 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and device for high-resolution fibred fluorescence imaging |
CA2491748A CA2491748C (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and equipment for fibre optic high-resolution, in particular confocal, fluorescence imaging |
EP03755595A EP1523270B1 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Method and equipment for fiber optic high-resolution, in particular confocal, fluorescence imaging |
ES03755595T ES2347871T3 (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | PROCESSING AND PROCESSING EQUIPMENT OF HIGH RESOLUTION FLUORESCENCE IMAGES BY OPTICAL FIBER AND PARTICULARLY OF CONFOCAL IMAGE PROCESSING. |
JP2004522234A JP2005532883A (en) | 2002-07-18 | 2003-07-11 | Particularly confocal high resolution fluorescence imaging method and apparatus using optical fiber |
IL16615105A IL166151A0 (en) | 2002-07-18 | 2005-01-05 | Method and apparatus for fibred high-resolution fluorescence imaging in particular confocal imaging |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR0302972A FR2852394B1 (en) | 2003-03-11 | 2003-03-11 | HIGH RESOLUTION FIBROUS FLUORESCENCE IMAGING METHOD AND APPARATUS |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2852394A1 true FR2852394A1 (en) | 2004-09-17 |
FR2852394B1 FR2852394B1 (en) | 2005-05-06 |
Family
ID=32893193
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR0302972A Expired - Lifetime FR2852394B1 (en) | 2002-07-18 | 2003-03-11 | HIGH RESOLUTION FIBROUS FLUORESCENCE IMAGING METHOD AND APPARATUS |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2852394B1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007022196A3 (en) * | 2005-08-15 | 2007-09-27 | Univ Texas | Needle biopsy imaging system |
WO2010076662A3 (en) * | 2008-12-29 | 2010-08-26 | Mauna Kea Technologies | Image processing method and apparatus |
US11696676B2 (en) | 2017-05-05 | 2023-07-11 | The University Of Bath | Optical system and method |
CN118444477A (en) * | 2024-07-08 | 2024-08-06 | 浙江工业大学 | Synchronous signal control system based on FPGA |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3753607A (en) * | 1968-08-27 | 1973-08-21 | Nippon Selfoc Co Ltd | Optical image transmitting structure |
WO2000016151A1 (en) * | 1998-09-15 | 2000-03-23 | Assistance Publique - Hopitaux De Paris | Device for observation inside a body providing improved quality of observation |
US20020045811A1 (en) * | 1985-03-22 | 2002-04-18 | Carter Kittrell | Laser ablation process and apparatus |
-
2003
- 2003-03-11 FR FR0302972A patent/FR2852394B1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3753607A (en) * | 1968-08-27 | 1973-08-21 | Nippon Selfoc Co Ltd | Optical image transmitting structure |
US20020045811A1 (en) * | 1985-03-22 | 2002-04-18 | Carter Kittrell | Laser ablation process and apparatus |
WO2000016151A1 (en) * | 1998-09-15 | 2000-03-23 | Assistance Publique - Hopitaux De Paris | Device for observation inside a body providing improved quality of observation |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007022196A3 (en) * | 2005-08-15 | 2007-09-27 | Univ Texas | Needle biopsy imaging system |
WO2010076662A3 (en) * | 2008-12-29 | 2010-08-26 | Mauna Kea Technologies | Image processing method and apparatus |
US8718398B2 (en) | 2008-12-29 | 2014-05-06 | Mauna Kea Technologies | Image processing method and apparatus |
AU2009334390B2 (en) * | 2008-12-29 | 2014-06-12 | Mauna Kea Technologies | Image processing method and apparatus |
US11696676B2 (en) | 2017-05-05 | 2023-07-11 | The University Of Bath | Optical system and method |
CN118444477A (en) * | 2024-07-08 | 2024-08-06 | 浙江工业大学 | Synchronous signal control system based on FPGA |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2852394B1 (en) | 2005-05-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2491748C (en) | Method and equipment for fibre optic high-resolution, in particular confocal, fluorescence imaging | |
CA2570630C (en) | Multimarking fiber fluorescence microscopic imagery system and method | |
EP1114348B9 (en) | Device for observation inside a body providing improved quality of observation | |
EP1468322B1 (en) | Confocal imaging equipment in particular for endoscope | |
EP1817620B1 (en) | System and method for carrying out fibered multiphoton microscopic imagery of a sample | |
CA2650856A1 (en) | Miniaturized optical head with high spatial resolution and high sensitivity, especially for fibred confocal fluorescence imaging | |
EP1461601B1 (en) | Equipment for spectroscopy of subsurface autofluorescence | |
FR2849218A1 (en) | Gynaecology/dermatology high resolution imaging endoscope having optical convergers excitation point subsurface face converging and mechanical microsystem moving lenses two planes/producing sweep | |
FR2864438A1 (en) | Optical head for confocal imaging system, has ball lens, with large numerical aperture, to converge light beam produced by laser source at excitation point in observed sub-surface field of sample, and unit allowing point to scan field | |
EP2005143B1 (en) | Methylene blue based fibred fluorescence microscopy | |
FR2852394A1 (en) | System for fibre optic high-resolution imaging, especially confocal, fluorescence imaging, used especially in in-vivo imaging in-situ, uses several thousand optical fibres which collect return fluorescent signals |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 14 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 15 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 16 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 18 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 19 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 20 |