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Études des performances d'algorithmes de reconstruction 3D en microscopie tomographique diffractive pour l'étude d'infections virales

28 Octobre 2022


Catégorie : Stagiaire


Titre du sujet : Études des performances d'algorithmes de reconstruction 3D en microscopie tomographique diffractive pour l'étude d'infections virales.

Laboratoire d'accueil : Laboratoire Hubert Curien (LaHC), 18 Rue Pr B. Lauras, 42000 SAINT-ÉTIENNE.

Encadrants : Fabien Momey (fabien.momey@univ-st-etienne.fr), Dylan Brault (dylan.brault@univ-st-etienne.fr).

Mots-clés : Reconstruction d'image 3D (tomographique), simulation numérique, programmation scientifique avec Matlab\textregistered, microscopie tomographique diffractive, imagerie pour la biologie.

Duration : 6 mois.

Date de démarrage : février/mars 2023.

Salaire : ~ 600 euros/mois.

Logement : possibilité d’hébergement à la Résidence des Arts (dans le centre ville de Saint-Étienne, à 20 minutes du laboratoire).

 

Contexte et problématique :

Les problématiques sanitaires actuelles, nous montrent combien la recherche biomédicale est importante pour comprendre le fonctionnement des virus. Les techniques de microscopie optique sont des outils essentiels dans l’étude de phénomènes biologiques au niveau cellulaire. Elles donnent accès aux propriétés optiques volumiques de micro-organismes (cellules, bactéries, virus), telles que la distribution 3D d’indice de réfraction. Dans ce contexte, la microscopie tomographique diffractive (MTD)[1] est une technique nouvelle d’imagerie interférométrique. Elle consiste en des acquisitions d’hologrammes (images 2D) de l’échantillon à différents angles de vue, i.e. en mode "tomographique" (tout comme en imagerie scanner X). Ces acquisitions multi-vues permettent une restitution par reconstruction numérique de la distribution 3D d’indice de réfraction d’un échantillon transparent, avec une résolution 2 fois meilleure qu’en microscopie conventionnelle.

Le projet HORUS, impliquant une collaboration entre les laboratoires IRIMAS (Mulhouse), Hubert Curien (Saint-Étienne) et IGBMC (Strasbourg), et financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), propose d’améliorer encore cette technique d’imagerie [2, 3] en termes d’instrumentation et de traitement des images pour la reconstruction, afin notamment de l’élargir à l’imagerie d’échantillons vivants.

Sujet du stage :

Ce stage s’insère dans la tâche d’amélioration des algorithmes de reconstruction 3D. Dans ce contexte, l’équipe du laboratoire Hubert Curien a developpé des algorithmes de reconstruction avancés utilisant des modèles très précis de formation d’image, ainsi qu’une procédure automatique de réglage des paramètres des algorithmes [4]. Les codes ont été implémentés sous Matlab.

Ces algorithmes ont montré une preuve de concept et ont été comparés aux méthodes de l’état de l’art. Ils requièrent à présent des études approfondies pour évaluer quantitativement leurs performances, notamment en fonction du nombre et de la distribution des angles de vue.

De plus, le microscope tomographique actual réalise des acquisitions d’hologrammes d’après un montage hors-axe. Nous souhaiterions étudier les performances de nos algorithmes de reconstruction en considérant des mesures holographiques en ligne. Cette technique d’acquisition n’utilise pas de bras de référence, ce qui permettrait de simplifier et stabiliser drastiquement le montage. Dans cette optique, le laboratoire IRIMAS va acquérir de nouveaux jeux de données suivant cette modalité, pour qu’une comparaison puisse être effectuée.

Le stagiaire recruté aura en charge la mise en oeuvre de ces études en utilisant nos codes Matlab. Les objectifs sont de :
- définir les paramètres variables de études ;
- créer les jeux de données de simulation ;
- développer et implémenter les scripts de reconstruction et enregistrer les résultats ;
- analyser les reconstructions en définissant et calculant des métriques pertinentes d’évaluation quantitative, et tracer les graphes et courbes de ces métriques en fonction des paramètres de simulation ;
- réaliser les mêmes études sur des jeux de données expérimentales fournis par IRIMAS.

Parallèlement, une implémentation C++ du modèle numérique de formation d’image, utilisé pour la reconstruction, a été réalisée et doit permettre une exploitation plus ciblée de librairies adaptées, comme par exemple FFTW (pour les convolutions numériques).

En parallèle de sa tâche principale, le candidat recruté aura l’opportunité de travailler sur l’optimisation de ce code, notamment à des fins de parallélisation sur CPU ou GPU (OpemMP, Cuda), et de transférer les solutions sur le code Matlab (implémentation de fonctions MEX).

Nous recherchons un candidat en master 2 ou dernière année d’école d’ingénieur, en informatique et traitment du signal et de l’image, à l’aise dans les langages de programmation visés (particulièrement Matlab), et intéressé par les problèmes d’imagerie (reconstruction, simulation), appliqués à la recherche scientifique.

Le stage proposé est particulièrement adapté pour un étudiant souhaitant poursuivre en thèse dans ces domaines.

Compétences recherchées : traitement du signal et de l’image, imagerie, reconstruction d’image 2D/3D (tomographie), programmation Matlab.

Connaissances et intérêts qui seront appréciés : programmation C++, recherche scientifique / projet de poursuite en thèse.

References :

[1] O. Haeberlé, K. Belkebir, H. Giovaninni, and A. Sentenac. Tomographic diffractive microscopy: basics, techniques and perspectives. Journal of Modern Optics, 57(9):686–699, May 2010.
[2] Matthieu Debailleul, Bertrand Simon, Vincent Georges, Olivier Haeberlé, and Vincent Lauer. Holographic microscopy and diffractive microtomography of transparent samples. Measurement Science and Technology, 19(7):074009, 2008.
[3] Matthieu DEBAILLEUL and Bruno COLICCHIO. Imagerie microscopique 3d de phase méthode d’imagerie sans marquage. Techniques de l’Ingénieur, ref. article : p955, 2018.
[4] L. Denneulin, F. Momey, D. Brault, M. Debailleul, A. M. Taddese, N. Verrier, and O. Haeberlé. Gsure criterion for unsupervised regularized reconstruction in tomographic diffractive microscopy. J. Opt. Soc. Am. A, 39(2):A52–A61, Feb 2022.