Architecture du dispositif pour l’imagerie multispectrale

Sur la base du dispositif construit pendant la thèse de Barbara L’Heureux pour l’IOSI, nous avons entrepris de tester différentes approches pour l’illumination séquentielle du tissu à différentes longueurs d’onde. Notre cahier des charges imposait de pouvoir illuminer sur une vaste plage de longueurs d’onde, avec une résolution spectrale de l’ordre de 10 nm. Du point de vue de la résolution temporelle, l’objectif est d’obtenir un cube spectral toutes les 200 ms. Ces contraintes fortes imposent l’utilisation d’un dispositif d’illumination avec basculement rapide d’une longueur d’onde à l’autre, associé à une caméra sensible permettant des temps d’exposition courts. La réflectance variant avec la longueur d’onde, il fallait également être en mesure d’adapter l’intensité lumineuse sur un large spectre. L’ensemble doit être parfaitement synchronisé par des signaux logiques et non par logiciel, pour éviter toutes dérives et désynchronisation de la prise d’image et de l’illumination. La volonté de pouvoir choisir les

longueurs d’onde et régler l’intensité de façon souple nous a conduit à rejeter le schéma classique utilisant une roue à filtre rapide (seul le modèle lambda DG Sutter relativement couteux permettait une résolution temporelle adéquate) qui limite le nombre de longueurs d’onde considérées.

Une solution envisagée dans un premier temps a été celle d’utiliser un filtre acousto-optique accordable (AA optics, Orsay). Ce dispositif permet, via l’interaction d’une onde acoustique dans un cristal de TiO2, de sélectionner la longueur d’onde transmise par modification du pas du réseau d’indices optiques créé par l’onde acoustique. La vitesse de balayage en longueur d’onde est celle nécessaire à changer la fréquence de l’onde acoustique, soit de l’ordre de quelques dizaines de microsecondes. Une contrainte majeure de ce système réside dans la nécessité d’illuminer le cristal avec une source parfaitement collimatée car la séparation angulaire de l’ordre zéro (lumière blanche non diffractée) et du 1er ordre diffracté à la longueur d’onde choisie, n’est que de 6° degrés. Cela impose par ailleurs d’implémenter un système de collection de la lumière hors axe après diffraction dans le cristal. Ce travail a été mené par Delphine Bourguoin, étudiante de M1 à l’Institut d’Optique à Palaiseau. Elle a pu caractériser la résolution spectrale du dispositif à environ 10nm et une résolution temporelle largement inférieure à la milliseconde. L’interfaçage logiciel du cristal a également été réalisée sous Labview et permettait un balayage rapide en longueurs d’onde, synchronisé sur la prise d’image. Outre la relative difficulté de mise en œuvre, le défaut majeur qui nous a fait abandonner ce dispositif est la faible transmission du cristal aboutissant à des niveaux de lumière faibles et nécessitant des temps d’exposition incompatibles avec la résolution temporelle souhaitée.

La solution finalement retenue consiste à associer une source blanche à un réseau diffractant et à une matrice digitale de micro-miroirs. La matrice de micro-miroirs est identique à celle utilisée dans les vidéoprojecteurs actuels. Les miroirs sont indépendants et peuvent être basculés en position ouverte ou fermée en quelques dizaines de microsecondes. Cette source commerciale bien qu’encore proche du prototype (One light spectra, Canada), a été appliquée pour la première fois à l’imagerie in vivo dans le cadre de nos projets. Le pilotage de la matrice de micro-miroirs a été réalisé sous Labview, le choix des lignes de miroirs « ouverts » permet la sélection de la bande spectrale transmise, la sélection des colonnes permet de régler l’intensité. L’architecture du système d’imagerie multispectrale que nous avons développé dans le cadre de la thèse de Rémi Renaud (2009-2012) est similaire à celui présenté sur la figure 24. Le système se compose du même dispositif d’imagerie (stéréomicroscope et caméra CCD)

piloter la caméra, acquérir les images et de déclencher le stimulus olfactif. Un second PC est dédié à la gestion de la source lumineuse. Cette architecture permet d’éliminer les temps morts et irrégularités temporelles de la prise d’image (temps d’exposition, temps inter-images, temps de lecture) générés par la gestion logicielle de la lampe. La synchronisation entre la prise d’image et le changement de longueur d’onde est réalisée par la sortie « exposure out » de la caméra comme décrit sur le schéma de la figure 31. Dans un premier temps nous utilisions directement la sortie caméra puis nous avons utilisé un dispositif microcontrôleur pour synchroniser le balayage en longueur d’onde, la prise d’image et l’ouverture des vannes de l’olfactomètre. La construction de ce dispositif a été l’occasion de développer les compétences d’interfaçage au laboratoire avec notamment la mise en œuvre dans une seule application des logiciels libres micromanager et imageJ et de la plateforme à microcontrôleur Arduino respectivement pour l’acquisition et l’analyse d’image en tant réel et la synchronisation des différents éléments. Les performances de la source lumineuse en stabilité spectrale et intensité ont été mesurées à l’aide d’un spectrophotomètre bas bruit et d’un puissance-mètre calibré. Ces mesures ont montré, après chauffage de la lampe, une stabilité excellente (dérive spectrale inférieur à 2nm et dérive en intensité inférieure à 0,01%) compatible avec les mesures des variations de réflectance spectrales sur des intervalles de l’ordre de la minute et pour des durées d’expériences de plusieurs heures.

Figure 31 : Diagramme des signaux temporels du système multispectral. C’est le signal de fin d’exposition « exposure out » de la caméra CCD qui déclenche le changement de longueur d’onde pour la lampe qui fonctionne en mode « esclave » par rapport a la caméra CCD. Celui ci a lieu en quelques centaines de microsecondes durant la période de lecture du CCD (Adapté de Renaud et al. 2011).