Développement d'un modèle de détection en imagerie basé sur un système multispectral pour des nanomarqueurs SERRS

Dans un contexte industriel en imagerie biomédicale, le coeur des projets réside dans le développement de nouveaux instruments de diagnostic. Dans la compagnie Photon Etc, une grande partie de la recherche et du développement appliqué au biomédical est attribué à la conception d'instruments permettant la détection d'échantillons radiatifs. Ces instruments sont souvent conçus pour des groupes de recherche avec des applications spécifiques comme l'imagerie de marqueurs Raman ou de biofluorescence par exemple. La compagnie se spécialise en production de caméras infrarouges (les caméras Zéphirs) et ces projets ne constituent pas nécessairement des produits typiques réalisés par la compagnie. Ils constituent néanmoins une grande partie du budget alloué au développement des produits, car la méthodologie de conception peut di˙érer selon les applications considérées : un échantillon fluorescent et un échantillon Raman n'auront pas les mêmes besoins en terme d'eÿcacité de détection par exemple. Des modèles de simulations permettent d'accompagner la conception de ces instruments. Pour la conception de relais de lentilles par exemple, il est d'usage d'utiliser des outils de modélisation comme Zemax ou LightTools. Pour évaluer la qualité d'une image mesurée par un capteur, il existe également un modèle permettant d'évaluer le rapport signal sur bruit (ou SNR de l'anglais signal-to-noise-ratio) en connaissant le signal incident d'une part et des caractéristiques techniques du détecteur d'autre part. Un outil permettant de caractériser un système de détection de l'étape d'excitation à l'étape de détection constitue donc un besoin dans le développement d'un nouveau système de détection. Mon premier but à travers ce projet de maîtrise a été de répondre à ce besoin en réalisant une interface graphique incluant un bloc d'émission, un bloc de relais optique et finalement un bloc de détection. Mon deuxième but consistait à valider les simulations réalisées avec le modèle de prédiction. À partir de deux montages expérimentaux di˙érents, j'ai évalué expérimentalement le rapport signal sur bruit des deux montages. J'ai montré que les résultats obtenus avec l'interface étaient proches de ceux obtenus expérimentalement. Cette interface ne remplace aucunement des outils de simulations établis comme Zemax pour la simulation de systèmes optiques par exemple. Cette interface a néanmoins la prétention de pouvoir aider dans la prise de décision préliminaire liée au choix des composantes du système comme le détecteur par exemple et d'avoir une évaluation directe de l'impact sur la qualité d'images. Dans le cadre du projet, mon troisième but était d'évaluer le potentiel des systèmes d'imageries instantanés pour la détection de signaux d'échantillons radiatifs. J'ai réalisé un prototype montrant le principe de fonctionnement du montage multispectral proposé. Ce système permet de démultiplier l'image afin de réaliser une sélection spectrale sur chacune des sous-images. La démultiplication de l'image a été montrée expérimentalement à l'aide du prototype réalisé. À l'aide de l'interface conçue dans la première partie du projet, j'ai également montré le potentiel de la technique en faisant une comparaison entre un système d'imagerie à balayage et le système proposé pour une même application multispectrale. Les résultats préliminaires de la modélisation prédisent que pour un même temps d'acquisition total d'une image, un SNR de 18,4 pourrait être atteint avec le système à balayage contre un SNR de 28,3 avec le système proposé. Pour des SNR d'environ 18, l'étude prédit que le système proposé prendrait environ 4 secondes contre 10 secondes pour le système à balayage. L'analyse réalisée est hypothétique et basée sur des hypothèses qui peuvent être sujettes à discussion. On peut néanmoins voir un atout supplémentaire de l'interface dans l'analyse comparative préliminaire rapide de systèmes de détection en s'affranchissant de l'aspect chronophage et couteux qu'est la conception d'un système de détection.

Abstract

In an industrial context in biomedical imaging, a major part of projects lies in the develop-ment of finer diagnostic tools. At Photon Etc, a large portion of the research and development applied to the biomedical field is attributed to the design of instruments for the detection of radiative samples. These instruments are often designed for research groups with specific applications such as Raman or fluorescence imaging probes, for example. The company spe-cializes in the production of infrared cameras (Zephirs cameras) which are not the typical products realized by the company. Nevertheless, they constitute a large part of the budget allocated to product development, because the design methodology may di˙er depending on the applications considered: a fluorescent sample and a Raman sample will not have the same requirements in terms of detection eÿciency, for example. Simulation models exist to support the design of these instruments. For the design of lens relays, for example, it is usual to use modelling tools such as Zemax or LightTools. To assess the quality of an image measured by a sensor, there is also a model to assess the signal-to-noise ratio (or SNR) by knowing the incident signal, on the one hand, and the technical characteristics of the de-tector, on the other hand. A tool to characterize a detection system from the excitation to the detection stage is therefore needed in the development of a new detection system. The first goal of this master project was to meet this need by creating a graphical interface on Matlab including an emission part, an optical relay part, and a detection part. Based on two di˙erent experimental setups, the signal-to-noise ratio of two setups was experimentally evaluated. It was shown that the results obtained with the interface were close to those obtained experimentally. This interface does not replace established simulation tools such as Zemax for the simulation of optical systems, for example. This interface was design to be of help in the preliminary design stages of detection systems. An example of use of the interface would be to guide the choice of a detector. The interface can then have a direct quantitative impact on the image quality if one was considering two cameras for one system. In the second part of the project, we sought to evaluate the potential of snapshot imaging systems for the detection of radiative sample signals (in this case a surface enhanced Raman resonant sample). A prototype showing the proposed multispectral setup has been produced. The proposed system allows the multiplication of the image in order to perform a spectral selection on each of the sub-images. The reduction of the image was shown experimentally using the prototype. Using the interface produced in the first part of the project, the poten-tial of the technique was also shown by making a comparison between the proposed system and it scanning counterparts for the multispectral application. The preliminary results of the modelling predict that for the same total image acquisition time, an SNR of 18.4 could be achieved with the scanning system versus an SNR of 28.3 with the proposed system. For an SNR of 18, the study predicts that the proposed system would take about 4 seconds com-pared to 10 seconds for the scanning system. The analysis performed is hypothetical and is based on assumptions that may be subject to debate. Nevertheless, an additional advantage of the interface can be seen in a faster preliminary comparative analysis of detection systems compared to the time-consuming and costly aspect of assembling a detection system.