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Présentation de l’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris
L’ESPCI Paris – PSL (École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris) est une école d’ingénieurs généraliste qui forme, depuis 1882, des ingénieurs de rupture, adaptables et créatifs, dotés d’un solide bagage théorique et expérimental, conscients des enjeux de la société.
Elle est intégrée à un centre de recherche reconnu internationalement en physique, chimie et biologie (500 publications par an). Elle est connue pour sa capacité à transformer les connaissances issues de la recherche fondamentale en innovations de rupture (2 brevets par mois, 3 start-ups par an).
Distinguée par 6 Prix Nobel, elle accueille 400 élèves-ingénieurs, 530 chercheurs (dont 250 doctorants et 100 post-doctorants) dans 10 unités mixtes de recherche et environ 100 agents des fonctions support de la recherche et de l’enseignement.
Depuis sa création, l’ESPCI n’a cessé de mobiliser ses forces et compétences au service de sujets sociétaux majeurs et de défendre l’importance de la science au service de la société. L’environnement, la solidarité, la santé, l’accès et l’ouverture au savoir sont des enjeux que l’ESPCI s’est engagée à prendre en compte dans son quotidien tout en contribuant à les faire avancer. L’ESPCI défend l’égalité des chances et promeut la diversité sociale. Elle encourage et valorise l’engagement, notamment associatif, de ses étudiants.
Notre établissement fait partie de l’Université Paris Sciences & Lettres. Numéro 1 du classement mondial des jeunes universités publié par le Times Higher Education, PSL figure aussi dans le top 50 des meilleures universités mondiales (Shanghai, Times Higher Education, QS, CWUR).
L’ESPCI est engagée dans un vaste projet de rénovation de son campus parisien qui fera d’elle un des sites scientifiques les plus modernes de Paris.
Rattachement du poste
Directeurs de thèse : Alexandre Aubry, Claude Bocarra
La thèse se déroulera à l’institut Langevin. L’Institut Langevin est une unité mixte de recherche du CNRS associée à l’ESPCI Paris - Université PSL, située dans le 5ème arrondissement de Paris et englobant une centaine de membres, dont plus de 30 chercheurs et enseignant-chercheurs. Les thématiques de ce laboratoire portent sur de nombreux aspects de la physique des ondes, de l’optique aux radiofréquences en passant par l’acoustique. La thématique de la thèse est incluse dans le thème "Ondes, Complexité & Information" de l’Institut Langevin.
Missions et responsabilités
En imagerie ondulatoire, on cherche à caractériser un environnement inconnu en le sondant activement puis en enregistrant les ondes réfléchies par le milieu. C’est, par exemple, le principe de l’imagerie par ultrasons, ou de la tomographie par cohérence optique pour la lumière. Cependant, la propagation des ondes depuis les capteurs jusqu’au plan focal est souvent dégradée par les hétérogénéités du milieu lui-même. Elles peuvent induire des distorsions du front d’onde (aberrations) et des diffusions multiples qui peuvent fortement dégrader la résolution et le contraste de l’image. L’aberration et la diffusion multiple constituent donc les limites les plus fondamentales pour l’imagerie dans tous les domaines de la physique des ondes. Dans cette thèse, nous proposons de résoudre et d’exploiter ces deux problèmes fondamentaux (aberrations et diffusions multiples) en imagerie optique en étendant l’approche de la matrice de réflexion [1-3] récemment développée à l’institut Langevin aux milieux diffusants dynamiques.
Figure 1 : Mesure de la matrice de réflexion multispectrale. a, Une source lumineuse à balayage de longueur d’onde éclaire un interféromètre de Linnik à travers un collimateur, deux miroirs de balayage et une lentille (L1) qui permet un balayage matriciel de la tache focale dans les plans pupillaires MO (uin) dans chaque bras (a1). L’échantillon placé dans le plan focal du premier MO (MO1), NA=0,8) est ainsi illuminé par un ensemble d’ondes planes à chaque fréquence ω de la largeur de bande de la source lumineuse (a2). Le champ d’ondes rétrodiffusé est collecté par le même MO, focalisé au moyen d’une seconde lentille L2 sur la surface d’une caméra CMOS où il interfère avec un faisceau de référence (a3). Ce dernier faisceau résulte de la réflexion des mêmes fronts d’onde incidents par un miroir de référence placé dans le plan focal de la seconde MO (MO2, NA=0,8). b, A chaque fréquence, pour chaque front d’onde d’entrée uin, l’interférogramme I(sout) (b1) enregistré par chaque pixel sout de la caméra fournit une colonne de la matrice de réflexion spectrale R=[R(sout, uin , ω] (b2).
En imagerie optique, nous sommes souvent confrontés à des milieux diffusants dynamiques. C’est le cas de la microcopie optique dans laquelle les tissus vivants présentent un temps caractéristique de décorrélation allant de 50 ms à 2,5 s en fonction du niveau d’immobilisation [4]. Ce temps de décorrélation est donc un problème fondamental en imagerie optique qui impose une contrainte de temps aux mesures expérimentales. Pour faire face à ce problème, nous avons récemment développé un microscope ultra-rapide et non-invasif qui pousse les profondeurs de pénétration au-delà du millimètre pour l’imagerie en temps réel [3]. Le microscope est basé sur la mesure interférométrique d’une matrice de réflexion multispectrale (Fig.1). Cette matrice contient toutes les informations disponibles sur le milieu (degrés de liberté spatio-temporels). À partir de cette matrice, mesurée plusieurs fois par seconde, des algorithmes de post-traitement ont été développés pour surmonter les aberrations et récupérer la réflectivité de l’échantillon, formant ainsi son image 3D sur une plage de profondeur étendue [1-3] (Fig. 2).
Figure 2 : Preuve de concept préliminaire du microscope matriciel a. Illumination polychromatique et spatialement multiplexée pour l’acquisition de la matrice de réflexion multispectrale. b. Preliminary POC : imagerie 3D d’une cornée opaque. Comparaison entre l’OCT de pointe et l’imagerie matricielle. b1-b2 B-scan (coupe axiale) de la cornée avec OCT et imagerie matricielle, respectivement. b3-b4 En-face (coupe transversale) de la cornée avec OCT et imagerie matricielle, respectivement. c. Exemples de lois de focalisation dérivées par des outils d’imagerie matricielle qui permettent la compensation de l’aberration et de la diffusion en post-traitement. d. Tomographie des fluctuations de l’indice optique à l’intérieur de la cornée.
Imagerie ultra-rapide
Alors qu’une première preuve de concept a été apportée sur des tissus ex-vivo (cornée opaque, voir Fig. 2)), la première étape de la thèse de doctorat sera de l’étendre in-vivo. Pour faire face aux caractéristiques dynamiques du milieu, deux stratégies peuvent être suivies. La première consiste à limiter le temps de mesure de la matrice R à son minimum, comme nous l’avons vu plus haut. La fréquence d’images peut être considérablement augmentée en illuminant l’échantillon avec seulement quelques ondes planes, comme l’ont montré des travaux antérieurs dans le domaine de l’imagerie ultrasonore [5]. Néanmoins, cela se fait au prix d’une perte de résolution et de contraste puisque le nombre de degrés de liberté spatiaux est limité par le nombre d’ondes planes utilisées pour illuminer le milieu. L’objectif de cette première partie de la thèse sera de trouver une séquence d’acquisition optimisée qui offre le meilleur compromis entre la fréquence d’images et la qualité de l’image. Pour ce faire, une approche de détection comprimée sera adoptée comme cela a été fait récemment pour l’imagerie ultrasonore ultra-rapide [6].
Compensation du mouvement
La deuxième stratégie consiste à développer des algorithmes qui prennent en compte le mouvement du milieu pendant la mesure de R. Cependant, pour l’imagerie en profondeur, ce dernier doit être élevé afin d’exploiter tous les chemins de diffusion multiples que l’onde peut emprunter pour se focaliser en profondeur dans le milieu. Une approche matricielle dynamique de l’imagerie par ondes est donc nécessaire pour l’imagerie en profondeur. Le mouvement du milieu peut être caractérisé pendant la séquence d’illumination par corrélation croisée de chaque image de sortie [7]. Le mouvement peut ensuite être compensé afin de construire une formation de faisceau adaptée à chaque partie de l’échantillon.
Exploitation du speckle dynamique
Le speckle dynamique peut également être exploité pour extraire de manière optimale la matrice de transmission entre les capteurs et les voxels du milieu à partir des mesures de réflexion. Le speckle dynamique donne accès à un grand nombre de réalisations de speckle à chaque voxel, qui peuvent être utilisées en retour pour extraire une loi de focalisation locale et adaptative pour chaque voxel du milieu [8]. Enfin, nous tirerons parti de la diffusion dynamique pour révéler de nouveaux contrastes dans les tissus en exploitant la dépendance temporelle de la matrice de réflexion. Il est intéressant de noter que les fluctuations temporelles de la réflectivité et de l’indice de réfraction du milieu peuvent fournir des informations essentielles pour sonder la dynamique multicellulaire en microscopie optique [9]. Grâce à sa fréquence d’images et à ses capacités volumétriques, le dispositif illustré à la figure 1 constitue un outil idéal pour sonder la dynamique 3D des tissus dans un avenir proche. Dans le cadre d’une future collaboration avec Jean Leon Maitre de l’Institut Curie, nous envisageons d’appliquer notre approche à l’embryologie pour laquelle une approche non invasive, tridimensionnelle et dynamique de l’imagerie est nécessaire.
Opérateur de Wigner-Smith
Par rapport aux méthodes standard d’imagerie différentielle ou de suivi du speckle, un formalisme matriciel peut également bénéficier d’opérateurs dédiés tels que la matrice de Wigner-Smith généralisée [10] afin de distinguer les fluctuations temporelles de la réflectivité des variations de la distribution de la vitesse de l’onde à l’intérieur du milieu. Une approche matricielle de l’imagerie dynamique peut ainsi fournir un suivi fin de la dynamique à l’œuvre dans le milieu inspecté. L’opérateur de délai de Wigner Smith peut également être utilisé pour discriminer les chemins de diffusion en fonction de leur temps de décorrélation. Nous pourrons ainsi extraire les contributions de la diffusion balistique et de la diffusion multiple vers l’avant, car elles sont moins sensibles aux légers mouvements que les trajectoires totalement aléatoires. Cette discrimination constituera une étape clé vers l’imagerie profonde en étendant la limite de profondeur de pénétration au-delà du libre parcours moyen de transport ( 1 mm dans les tissus biologiques)
References
[1] A. Badon, V. Barolle, K. Irsch, A. Boccara, M. Fink, and A. Aubry, “Distortion matrix concept for deep imaging in optical coherence microscopy,” Sci. Adv. 6, eaay7170 (2020).
[2] U. Najar, V. Barolle, P. Balondrade, M. Fink, A. C. Boccara and A. Aubry, « Non-invasive retrieval of the transmission matrix for optical imaging deep inside a multiple scattering medium”, 2023 -arXiv:2303.06119, hal-03981863, 2023.
[3] P. Balondrade. V. Barolle, N. Guigui, E. Auriant, N. Rougier, A. C. Boccara, M. Fink and A. Aubry, « Multi-Spectral Reflection Matrix for Ultra-Fast 3D Label-Free Microscopy », Nature Photonics (in press), 2024 - arXiv:2309.10951, hal-04211838, 2023.
[4] M. Jang, H. Ruan, I. M. Vellekoop, B. Judkewitz, E. Chung, and C. Yang, “Relation between speckle decorrelation and optical phase conjugation (OPC)-based turbidity suppression through dynamic scattering media : a study on in vivo mouse skin”, Biomed. Opt. Exp. 6, 72-85 (2015).
[5] G. Montaldo, M. Tanter, J. Bercoff, N. Benech, M. Fink « Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography », IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control., vol. 56, 489-506, 2009.
[6] R. J. G. van Sloun, R. Cohen and Y. C. Eldar, "Deep Learning in Ultrasound Imaging," in Proceedings of the IEEE, vol. 108, pp. 11-29, 2020.
[7] D. Hillmann. Holoscopy. 1re éd. Springer Vieweg, 2014.
[8] B. F. Osmanski, G. Montaldo, M. Tanter and M. Fink, “Aberration correction by time reversal of moving speckle noise”, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59, 7, 1575-1583 (2012).
[9] J. Scholler, K. Groux, O. Goureau, J.-A. Sahel, M. Fink, S. Reichman, C. Boccara, and K. Grieve, Light Sci. Appl. 9, 140 (2020).
[10] P. Ambich et al., “Focusing inside Disordered Media with the Generalized Wigner-Smith Operator”, Phys. Rev. Lett. 119, 033903 (2017).
Profil
Connaissances et qualités recherchées :
THEORIQUES/NUMERIQUES :
compétences souhaitées en :
– physique des ondes en milieux complexes (niveau expert)
– traitement du signal (niveau expert)
EXPERIMENTALES :
compétences souhaitées en :
– contrôle du front d’onde (niveau expert)
– microscopie optique (niveau expert)
Une connaissance du fonctionnement et de l’organisation de la fonction publique, notamment territoriale, est souhaitée.
Formation requise (ou diplôme) :
Expérience souhaitée :
Modalités de Recrutement
Catégorie : Doctorant
Filière : Ecole Doctorale Physique en Ile De France
Corps :
Le poste est à pourvoir :
par voie de mutation pour les agents titulaires de la Ville de Paris ;
par voie de détachement pour les agents titulaires d’autres fonctions publiques ;
par voie contractuelle pour une durée d’un an pour les agents non titulaires.
Les candidatures de personnes disposant de la RQTH sont encouragées.
Poste à pourvoir à compter du : 01/11/2024
Contact
Les candidatures (CV, lettre de motivation) sont à transmettre par courriel à XXX en indiquant leur statut (Titulaire ou Non titulaire) ainsi que leur corps et grade (uniquement pour les titulaires)
Pour tout complément d’informations, contacter : alexandre.aubry@espci.fr
Tél. 0180963066
Lieu
10, Rue Vauquelin 75005 Paris
Métro ligne 7 (Place Monge/Censier Daubenton) - RER B (Luxembourg) - Bus 21, 27 & 47 - 3 Vélib’ stations à proximité.