Summary:
The aim of this project is an exhaustive study (from signal to information) of two new optical imagery techniques: fluorescence-tomographic microscopy and confocal macroscopy. The development of more effective and user-friendly deconvolution strategies for biological and medical research will markedly help improving the quality of microscopic images and their interpretation. Such improvements will therefore contribute to a better understanding of the basic functions of living organisms. On the one hand, confocal macroscopes have been recently commercialized (by Leica) and have begun to be employed in biological imaging platforms - this kind of imagery systems allows practitioners to observe relatively large samples and to acquire data in three dimensions plus time (3D movies). On the other hand, tomographic diffractive microscope images, combined with fluorescence imagery techniques, provide quantitative information about the complex refractive indices of observed specimens. In a first phase, we will model the systems, consisting of samples conception (life cells, micro beads), image acquisition and PSF modelling (via measured and/or analytical models). Following this, we propose to design advanced image processing methods in order to restore observed images. We will use a refraction index map and the time dimension to improve the deconvolution in fluorescence-tomographic microscopy. Regarding confocal macroscopy, we will be taking advantage of recent methodological advances in the solution of inverse problems. Both blind and non-blind algorithmic approaches will be studied. The amount of data required for processing being relatively large, we shall pay attention to the performance of the proposed algorithms, through code optimization and parallel implementations. Result assessment will be achieved not only using numerical approaches for quantitative analysis but also qualitatively via visual evaluation by professional microscopists. Concerning valorisation, in addition to publications, some of the results will be made available as free softwares and the commercially valuable remainder will be negociated with interested manufacturers.

Résumé :
L'objectif de cette ANR est l'étude exhaustive (du signal à l'information) de deux nouvelles techniques d'imagerie optique : la microscopie tomographique et la macroscopie confocale. Le développement de méthodes de déconvolution performantes et faciles d'utilisation en recherche biologique et médicale, contribuera grandement à améliorer la qualité des images microscopiques et leur interprétation, et conduira ainsi à une meilleure compréhension du fonctionnement des organismes vivants. Le macroscope confocal a récemment été commercialisé (Leica) et commence à être utilisé par des plates-formes d'imagerie biologique. Cet instrument permet d'obtenir une image de grands échantillons en trois dimensions et dans le temps (films 3D). Le microscope tomographique diffractif (en combinaison avec la fluorescence) fournit des informations quantitatives sur l'indice optique complexe du spécimen observé. Dans une première phase, une modélisation des systèmes (conception d'échantillons, acquisition d'images, modélisation de la PSF) sera réalisée. Ensuite, nous proposons de mettre en place des méthodes évoluées de traitement d'images afin de restaurer les images observées : on se servira de la carte des indices de réfraction et de la dimension temps, pour améliorer respectivement la déconvolution en microscopie de fluorescence-tomographique et en macroscopie, en s'appuyant sur de récentes avancées méthodologiques pour la résolution des problèmes inverses. Les algorithmes proposés regrouperont les méthodes de déconvolution aveugle et non aveugle. Par ailleurs, le volume de données à traiter étant conséquent, on sera particulièrement attentif à la programmation des algorithmes proposés. L'évaluation des résultats obtenus se fera de manière automatique via des mesures numériques (analyse quantitative), mais sera également effectuée de façon visuelle par des professionnels de la microscopie optique (analyse qualitative). La valorisation se fera d'une part sous forme de publications, et d'autre part sous forme de logiciels libres pour une partie des résultats et pour l'autre partie, sous forme de logiciels commercialement exploitables, pour lesquels les partenaires se rapprocheront d'un industriel du domaine dans la dernière phase du projet.

Contact caroline.chauxAtuniv-paris-est.fr