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Israël -Technion : Innovation pour améliorer la résolution des microscopes et des systèmes d’imagerie


Israël -Technion : Innovation pour améliorer la résolution des microscopes et des systèmes d’imagerie

Technion Researchers Develop Computational Method for Improving the Resolution of Microscopes and Imaging Systems

La recherche et l’innovation sont une des grandes réussites d’Israël. Bien que ce petit pays, entourés d’ennemis qui veulent son élimination, consacre une énergie importante à sa défense, il continue à améliorer les sciences et les techniques, contribuant ainsi au bien-être de toute la planète.

Des chercheurs du Technion ont présenté une nouvelle technique qui permet d’améliorer considérablement la résolution des microscopes. Cette étude a été publiée dans la prestigieuse revue scientifique Nature Materials

. Cette méthode est basée sur des algorithmes innovants et est, selon les scientifiques, « une percée dotée du potentiel de changer le monde de la microscopie et des autres systèmes de mesure optique. » La méthode est d’un grand intérêt, tant dans le monde scientifique que dans celui de l’industrie.

« Quand vous regardez une image produite par microscopie optique dans laquelle les éléments observés ont une taille plus petite que la demi longueur d’onde de la lumière, vous observerez inévitablement une image floue, » explique le professeur Moti Segev, chercheur à la Faculté de Physique du Technion. « Cela provient du fait qu’une partie de l’information contenant des trop petits détails ne se développe pas dans l’espace et n’a donc pas atteint l’oeil ou la caméra du microscope. Il existe aujourd’hui plusieurs méthodes pour parvenir à une résolution de moins d’une demie longueur d’onde, mais toutes exigent une numérisation point à point. Ces méthodes sont bonnes seulement pour observer un objet statique, qui ne change pas pendant le scan ».
Les scientifiques ont essayé d’analyser pendant des années s’il était possible de restaurer l’information perdue entre l’objet et la caméra du microscope. En d’autres termes, si l’on échantillonne l’image flouée, est-il possible de récupérer l’information manquante en utilisant des concepts de théorie de l’information? Jusqu’à présent, les scientifiques n’en ont pas été capables. La raison principale en est le bruit : la dispersion aléatoire de la lumière, qui n’est pas liée à l’image a, jusqu’à aujourd’hui, empêché la restauration de détails manquants dont la taille est inférieure à la moitié de la longueur d’onde de la lumière.

Les chercheurs ont présenté un groupe de méthodes numériques d’avant-garde pour améliorer la résolution des microscopes à moins de la moitié de la longueur d’onde de la lumière. Le projet a réussi en grande partie grâce à une collaboration entre plusieurs groupes de recherche provenant de quatre facultés différentes au Technion (les équipes du professeur Moti Segev et du Dr Oren Cohen physique, Le professeur Yonina Eldar de la faculté d’électronique, le professeur Irad Yavneh et le Dr Michael Zibulevsky de la faculté d’informatique, et le professeur Shai Shoham du département de génie biomédical).

« Nous cherchons une restauration des détails basée sur deux exigences: la conformité à l’image floue observée et la minimisation des degrés de liberté », explique le professeur Segev. « La deuxième exigence est liée à la compréhension de la représentation compacte (amincissement) d’information et de l’effet provoqué par le système de mesure du bruit. Le bruit aléatoire occupe tous les degrés de liberté, tandis que l’information remplit un certain nombre de degrés de liberté et jamais tous les degrés de liberté. Dans de nombreux cas il y a quelques informations préliminaires sur l’information. En principe dans ce genre de situation, l’information peut être représentée sous une forme compacte, de sorte que, mathématiquement, elle peut être codée par un petit nombre de projections sur des fonctions de bases, ce que l’on appelle les représentations creuses, dont le degré de liberté est faible. Par exemple, la compression d’images JPEG utilise cette propriété en représentant chaque image comme étant une combinaison linéaire d’images de base appelée dictionnaire ».

Ce concept innovant pour améliorer la résolution en microscopie en utilisant la représentation creuse de l’image, a été mis au point par Moti Segev, Yonina Eldar, SnirG azit, Yoav Schechtman et Alex Tzmiat. L’idée a été démontrée, en principe, pour la première fois en 2009. Une autre composante primordiale dans la reconstitution d’images microscopiques est l’analyse de la phase du faisceau lumineux qui traverse la lentille du microscope, ce qui se fait en pratique avec de l’interférométrie.

Il y a deux ans, le Dr Oren a proposé une méthode qui permet de retrouver la phase d’une onde lumineuse à partir de sa puissance spectrale. Autrement dit, un algorithme qui pet reconstituer toutes les informations présentes dans un faisceau lumineux à partir juste de son intensité, ce qui permet d’utiliser un appareil de mesure classique. Puis, il a proposé récemment de combiner les deux concepts, celui des représentations creuses, ainsi que celui de la reconstitution de la phase. Comme décrit ci-dessus, la composante principale de cette méthode est le développement de l’algorithme de récupération de l’information manquante:(a) la reconstruction de la phase de la lumière mesurée et (b) la reconstruction de l’information optique qui ne vient pas à la caméra (les petits détailsdont la taille est inférieure à une demi-longueur d’onde).

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Les chercheurs travaillent actuellement sur le développement de méthodes similaires pour améliorer la résolution des autres systèmes de mesure.

Image agrandie 500 fois de pollens de plantes courantes

 

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Technion Researchers Develop Computational Method for Improving the Resolution of Microscopes and Imaging Systems

Technion researchers have demonstrated an innovative method that substantially improves the resolution (the ability to distinguish between details) of microscopes. This was reported by the prestigious scientific journal Nature Materials. The method is based on innovative concepts, and scientists hail it as being a « breakthrough with the potential to change the world of microscopy, imaging systems, and other optical measurement systems ». The method is attracting great interest, both in the scientific world and in industry.

 

« When you look through an optical microscope at an object with features (optical information) smaller than one half the wavelength of light – you necessarily see a blurred image », explains Distinguished Prof. Mordechai (Moti) Segev of the Technion’s Department of Physics. « The reason for this is that the information about the structure of very small features does not propagate through space and thus does not reach the eye or the microscope camera. Today, a number of methods are used to achieve a resolution under one half of the wavelength of light, but they all require point-by-point scanning of the object. Hence, these methods may be used only for a static object, which does not change during the scan ».

Scientists have attempted for many years to find algorithms to reconstruct the sub-wavelength information lost between the object and the microscope camera. But thus far all such attempts were largely unsuccessful. The main reason is noise: random scattering of light (for example, from reflections off non-ideal surfaces), which is inevitable in optical systems, has thus far prevented algorithmic reconstruction of features smaller than one half the wavelength of light from measurements of the blurred image.

Now a team of Technion researchers presented a breakthrough algorithmic method for improving the resolution of microscopes to considerably under one half the wavelength of light. To a great extent, the project was successful thanks to the collaboration between several research groups from four different Technion faculties (the groups of Prof. Moti Segev and of Dr. Oren Cohen of the Department of Physics, Prof. Yonina Eldar of the Department of Electrical Engineering, Prof. Irad Yavneh and Dr. Michael Zibulevsky of the Computer Science Department, and Prof. Shy Shoham of the Department of Biomedical Engineering).

« The algorithmic method relies on finding the most suitable reconstruction that meets two criteria: the reconstructed high-resolution image must conform to the blurred image, and it must minimize of the number of the degrees of freedom », explains Prof. Segev. « The second criterion has to do with understanding compact (sparse) representation of information and with the effect caused by noise in the measurement system. Random noise occupies all degrees of freedom, whereas information has some structure, hence it occupies a given number of degrees of freedom and never all of them. In many cases, there is some sort of a priori knowledge about the information. In principle, in such a case the information may be presented compactly, such that mathematically it is represented by a small number of projections onto basis functions that cover all the possibilities of spatial information. It is then said that the information is sparsely represented, and the number of degrees of freedom it occupies is small. In general, there are many cases where information can be represented compactly. A well known example is file compression using JPEG, a method of compact representation through projection onto a basis where the information in the file is represented sparsely (compactly) ».

This innovative concept of improving resolution in microscopy through representation of the image in the correct basis in which the image is sparse, was developed by Prof. Moti Segev of the Department of Physics and Prof. Yonina Eldar of the Department of Electrical Engineering, graduate students Snir Gazit and Yoav Shechtman and postdoctoral researcher Alex Szameit, currently a professor at the University of Jena, Germany. The idea was initially demonstrated in 2009. However, exhausting the full potential of the resolution improvement necessitated measuring the phase of the light reaching the microscope camera. Phase measurement requires interference-based methods (interferometric methods) which increase the complexity of the system substantially and limit the applications of this method.

About two years ago, Dr. Oren Cohen proposed adding an important layer to the algorithm, which in effect replaces the need for phase measurement, and to thus obtain image reconstruction at a higher resolution than one half the wavelength of light, through intensity measurement only (using a regular camera). In fact, Dr. Cohen proposed that two research directions be combined – Profs. Segev and Eldar’s idea of sub-wavelength imaging and « lensless imaging », in which images are algorithmically (computationally) reconstructed from measurements of the intensity of the light at a very far distance from the image. This area – of lensless imaging – has recently become an extremely important field of science. On completion of the construction of three short pulse X-ray lasers (in the USA, Germany and Japan) at a cost of one billion dollars per laser, researchers intend to use lensless imaging to measure the structure of hundreds of thousands of single molecules (molecules that cannot be assembled into a crystallized structure). Understanding the structure of these molecules will pave the way for chemists, biologists and doctors to understand many biological processes at the molecular level. Until now, the resolution of all « lensless imaging » methods has been limited to features bigger than a wavelength. However, the methods developed by the Technion researchers could bring about a revolutionary improvement of the entire « lensless imaging » field, and allow measurement of dynamically changing molecules.

The Technion research team has demonstrated in experiments the reconstruction of details at least five times smaller than the wavelength of light, in a single-shot measurement of the light intensity at the focal plane of the microscope lens. The research work was published in the prestigious journal Nature Materials. The majority of the research work was done by postdoctoral researcher Alex Szameit and graduate students Yoav Shechtman and Eli Osherovich. The experiments, conducted by Alex Szameit and Hod Dana (graduate student at the Department of Biomedical Engineering), demonstrated reconstructions of objects with optical features 100 nanometers in size using radiation with a wavelength of 530 nanometers. In comparison, without using the new method, the resolution of this microscope is limited to features bigger than 300 nanometers.

As described above, the main part of the research is the development of the algorithm for the reconstruction of missing information: (a) reconstruction of the phase of light measured by the camera and (b) reconstruction of the part of the optical information which never reached the camera (information on features smaller than one half the wavelength of light). The initial algorithm, developed by Elad Bullkich, an undergraduate student at the time the research was conducted, and Yoav Shechtman, was based on performing the phase reconstruction algorithm followed by the algorithm for the reconstruction of sub-wavelength information. Some time later, Eli Osherovich developed a far better algorithm that reconstructs both types of « missing information » concurrently, thereby substantially increasing performance and allowing handling a wide range of images.

Technion researchers are now working on the development of similar methods for improving the resolution of other measurement systems. For example, graduate student Pavel Sidorenko has recently demonstrated breaking the resolution barrier of spectroscopic resolution: he has reconstructed spectral information at a higher resolution than the fundamental limit on spectroscopy (the time duration a photon spends in the measuring instrument). The researchers hope that these developments will lead to the improvement of spectral systems used, as an example, for the measurement of pollutants in the air of in water, detection of explos

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