Etude expérimentale d'effets linéaires et non-linéaires sur des nanostructures par microscopie optique en champ proche

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Approximate Bayesian denoising for deep image reconstruction in the presence of signal-dependent noise

Recently, a variety of unrolled networks have been proposed for image reconstruction. These can be interpreted as parameter-optimized algorithms that incorporate steps that are traditionally encountered during the optimization of hand-crafted objectives . Here, we address the problem of training such networks in the presence of signal-dependent noise, which is more realistic that the common additive Gaussian noise . We focus on algorithms that requires the inversion of large signal-dependent matrices during training, which increases considerably the training time compared signal-independent inversions that can be precomputed before training. In particular, we describe how to approximate the denoising step of the deep expectation-maximization network to reduce the computational cost and memory requirements while limiting the reconstruction error. We present reconstruction results from simulated and experimental data at different noise levels. Our network yields higher reconstruction peak signal-to-noise ratios than other similar approaches and greater robustness in the practical case where the noise level is unknown or is badly estimated

SYSTEME OPTOELECTRONIQUE « COMPATIBLE IRM-PRECLINIQUE » POUR L’IMAGERIE DIFFUSE RAPIDE

International audienceL’imagerie et la spectroscopie par résonance magnétique, des organes en mouvement chez le petit animal requierent des méthodes de compensation. On cherche alors à s’affranchir des perturbations de cohérence des signaux qui se traduisent par des artefacts en imagerie (flou cinétique, « ghosting », etc.) comme en spectroscopie (élargissement des raies, défaut de délimitation spatiale des voxels, etc.). Or si les méthodes de synchronisation retrospectives ne sont pas toujours d’implémentation aisée pour tous les types de séquences, les méthodes de synchronisation retrospectives souffrent parfois des limitations pratiques. Ainsi les dispositifs de mesure d’Electrocardiogramme pour l’IRM cardiaque révèlent parfois des difficultés de mise en oeuvre, liés à l’intervention de matériaux conducteurs et aux liaisions filaires. Particulièrement dans les situations cumulant de forts gradients de champs, un fort encombrement associé notamment aux tunnels à hauts champs actuels, ou encore une géométrie particulière d’antennes et de connexion, des dispositifs tout optique pourraient alors constituer des alternatives attrayantes, comme nous l’avons précédemment montré [1]. Non seulement les dispositifs à base de capteurs à fibres optiques ont l’avantage d’être intrinsèquement compatibles IRM, rapides à l’échelle temporelle des phénomènes physiologiques visés, mais ils peuvent aussi être disposés en réseau de façon à collecter des informations réparties sur le corps de l’animal [2].1. R. Sablong et al. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 65(1), 2014.2. JD Johansson et al, Biomed Opt Express, 7(2):481-98 2016

Spectroscopie de fluorescence de la protoporphyrine IX pour l’assistance peropératoire lors de l’exérèse de gliomes

Présentation oraleNational audienceIntroductionLa fluorescence de la protoporphyrine IX (PpIX) induite par ingestion de 5-ALA peut être utilisée en neurochirurgie, lors de la résection de gliomes, afin de visualiser les tissus tumoraux. Une étude préliminaire a montré (Montcel et al., biomed. Opt. Exp.,2013, 4(4), 548-558) que la PpIX est présente sous deux états dans les gliomes et qu’un rapport de ces deux états dans les biopsies étudiées a permis de différencier le cœur tumoral des glioblastomes de leurs infiltrations et des gliomes de bas grade. Notre but est maintenant d’étudier la faisabilité de l’utilisation peropératoire d’une sonde de spectroscopie de fluorescence afin d’identifier les marges tumorales et, à terme, de quantifier en temps réel la concentration en PpIX puis en cellules cancéreuses dans le tissu sondé.Matériels et méthodes Le prototype développé contient une sonde que le neurochirurgien pose sur le cerveau et qui illumine le tissu et récupère le spectre de fluorescence. L’illumination se fait à différentes longueurs d’onde afin de mieux discriminer in vivo les deux états de la PpIX. Une étude de faisabilité et d’intérêt du prototype est menée sur 10 patients, 5 présentant un gliome de bas grade et 5 un gliome de haut grade.RésultatsLes résultats obtenus confirment la faisabilité de mesures peropératoires. Par ailleurs, la signature spectrale émise par le tissu sondé diffère suivant le grade du gliome et suivant la longueur d’onde d’excitation. Ceci indiquant bien la présence des deux états différents de la PpIX in vivo.Conclusion Le système développé a montré une plus grande sensibilité de détection que le microscope peropératoire, comme attendu dans la littérature. Par ailleurs, les premiers résultats obtenus in vivo sur cerveau humain tendent à confirmer les résultats obtenus in vitro et sur biopsies : l’excitation des deux états de la PpIX par plusieurs longueurs d’onde permettrait de discriminer différentes catégories histologiques

Nonlinear relation between concentration and fluorescence emission of protoporphyrin IX in calibrated phantoms

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Pixel-wise modied Beer-Lambert model for intraoperative functional brain mapping

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Modelling skin surface areas involved in water transfer in the Palmate Newt (Lissotriton helveticus)

International audienceMagnetic resonance imaging (MRI) based 3D reconstructions were used to derive accurate quantitative data on body volume and functional skin surface areas involved in water transfer in the Palmate Newt (Lissotriton helveticus (Razoumovsky, 1789)). Body surface area can be functionally divided into evaporative surface area that interacts with the atmosphere and controls the transepidermal evaporative water loss (TEWL); ventral surface area in contact with the substratum that controls transepidermal water absorption (TWA); and skin surface area in contact with other skin surfaces when amphibians adopt water-conserving postures. We generated 3D geometries of the newts via volume-rendering by a “segmentation” process carried out using a graph-cuts algorithm and a Web-based interface. The geometries reproduced the two postures adopted by the newts, i.e., an I-shaped posture characterized by a straight body without tail coiling and an S-shaped posture where the body is huddled up with the tail coiling along it. As a guide to the quality of the surface area estimations, we compared measurements of TEWL rates between living newts and their agar replicas (reproducing their two postures) at 20 °C and 60% relative humidity. Whereas the newts did not show any physiological adaptations to restrain evaporation, they expressed an efficient S-shaped posture with a resulting water economy of 22.9%, which is very close to the 23.6% reduction in evaporative surface area measured using 3D analysis

Fast hyperspectral single-pixel imaging

Hyperspectral imaging is a major tool in modern science, which relies on a compromise between spatial resolution, spectral resolution, and imaging speed. Inspired by single-pixel imaging, we propose a versatile system that enables the fast acquisition of highspectral-resolution hypercubes. Our computational hyperspectral imaging device is composed of a compact fiber spectrometer and a digital micromirror device (DMD). By uploading a set of Hadamard patterns onto the DMD, our system acquires 64 × 64 × 2048 pixel hypercubes with a spectral resolution of 2.3 nm in less that 2 s. We show that this time can be further reduced by reconstructing hypercubes from accelerated acquisitions that exploit only a few DMD patterns. In particular, we demonstrate that a deep expectation maximization network (EM-Net) can solve this inverse problem for several acceleration factors. 8-fold acceleration enables the achievement of reconstructions with moderate spatial degradation for low frequency images. Our system allows a high degree of flexibility in the choice of spatial resolution and imaging speed, which can be easily adapted to the target application. To foster research in this field, we have made our image reconstruction algorithms, acquisition software, and several raw datasets publicly available

Fast hyperspectral single-pixel imaging

Hyperspectral imaging is a major tool in modern science, which relies on a compromise between spatial resolution, spectral resolution, and imaging speed. Inspired by single-pixel imaging, we propose a versatile system that enables the fast acquisition of highspectral-resolution hypercubes. Our computational hyperspectral imaging device is composed of a compact fiber spectrometer and a digital micromirror device (DMD). By uploading a set of Hadamard patterns onto the DMD, our system acquires 64 × 64 × 2048 pixel hypercubes with a spectral resolution of 2.3 nm in less that 2 s. We show that this time can be further reduced by reconstructing hypercubes from accelerated acquisitions that exploit only a few DMD patterns. In particular, we demonstrate that a deep expectation maximization network (EM-Net) can solve this inverse problem for several acceleration factors. 8-fold acceleration enables the achievement of reconstructions with moderate spatial degradation for low frequency images. Our system allows a high degree of flexibility in the choice of spatial resolution and imaging speed, which can be easily adapted to the target application. To foster research in this field, we have made our image reconstruction algorithms, acquisition software, and several raw datasets publicly available

Design of brain simulating liquid and numeric phantoms for evaluating hemodynamic changes in intraoperative functional brain mapping studies

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