Un endoscope constitué d’une seule fibre optique

Les endoscopes sont très utilisés pour voir des objets inaccessibles  tant dans l’industrie que dans la pratique médicale. Dans ce dernier cas, il peut s’agir d’un endoscope rigide ou flexible, mais il est toujours constitué d’un tube mince qu’on peut insérer dans le corps et qui permet d’avoir  des images de l’intérieur de celui-ci.  Des chercheurs de Corée du Sud et des Etats-Unis  ont réussi à fabriquer  un endoscope qui, à la différence de ceux, classiques, à faisceau multifibres, est fait d’une seule fibre optique de 200 micromètres de diamètre.

Une fibre optique est une structure cylindrique capable de guider les ondes lumineuses électromagnétiques qui y sont injectées. Le cœur de la fibre est entouré par une gaine d’indice de réfraction légèrement moins élevé que celui du cœur.
Ceci entraîne la réflexion totale de la lumière à l’interface cœur-gaine. La lumière réfléchie de multiple fois est donc confinée dans le cœur. Un rayon lumineux se propagera d’un bout à l’autre de la fibre en zig-zaguant.

 

Mais si on veut utiliser une telle fibre pour obtenir une image endoscopique par réflexion de la lumière, on se heurte au problème de la dispersion de modes et à celle due aux défauts de géométrie. La lumière injectée dans la fibre sera déformée et cela aussi bien à l’aller qu’au  retour.

Les  modes de la lumière dans une fibre, qui correspondent à des angles de réflexion différents des rayons lumineux ont des vitesses de propagation différentes. Cela entraîne des déformations très complexes de l’onde injectée dans la fibre. On dit qu’il y a dispersion de modes.

C’est pour cela que l’on utilise un faisceau de fibres dans les endoscopes actuels. Chaque fibre du faisceau transporte un pixel de l’image. Pour obtenir une haute résolution, il faut augmenter le nombre de fibres et donc le diamètre de l’endoscope, ce qui diminue sa facilité d’insertion.

L’élimination des effets de la dispersion

Wonshik Choi et ses collègues de l’Université de Corée à Séoul ainsi que des chercheurs de l’University of Pennsylvania, Philadelphie, Pa, USA et du Massachusets  Institute of Technology, Cambridge, Ma, USA ont réussi à caractériser  l’effet des dispersions sur les différents modes d’ondes présents dans la fibre et, à l’aide de cette information, à reconstruire une image nette.

Ils ont appelé cette méthode micro-endoscopie sans objectif par une fibre unique, en anglais  lensless microendoscopy by a single fiber, qu’on désigne par l’acronyme LSMF.

Avant d’utiliser une fibre optique pour l’endoscopie, ils étalonnent ses caractéristiques de transmission optique (obtenant ce que les physiciens appellent la matrice de transmission) pour pouvoir compenser la distorsion subie durant son aller-retour par  la lumière détectée. Pour cela, on applique un faisceau laser à un bout de la fibre et on mesure intensité et phase de la lumière émergente à l’autre extrémité. On accumule 15000 images correspondant à autant d’angles d’incidence différents sur la fibre. Cette opération  a une durée de  30 secondes que l’usage d’une caméra rapide pourrait  réduire.

Le montage expérimental

Pour obtenir l’image LMSF, le faisceau d’un laser Hélium-Néon classique de longueur d’onde 632 nanomètres est divisé en deux par un cube séparateur(BS1). Le faisceau qui va vers la fibre est réfléchi sur un miroir de balayage galvanométrique (GM) à deux axes. Après avoir été réfléchi par un deuxième cube séparateur(BS2), le faisceau est couplé à la fibre optique à son plan d’entrée IP et se propage jusqu’à l’objet du plan OP qu’il éclaire à la sortie de la fibre.

<em>Fig. 1. Schéma du montage LSMF. L'interférence entre la lumière réfléchie par l'objet et un faisceau de référence est enregistrée par une caméra. Un miroir galvanométrique à deux axes de balayage, GM, contrôle les angles d'incidence (θx, θy)s du faisceau de lumière sur la fibre. BS1, BS2 et BS3sont des cubes séparateurs, OL est un objectif de microscope, Ip est le plan d'entrée de la fibre, OP le plan de l'objet, ici une mire de microscopie.</em> <em>Crédit Wonshik Choi.</em>

Fig. 1. Schéma du montage LSMF. L’interférence entre la lumière réfléchie par l’objet et un faisceau de référence est enregistrée par une caméra. Un miroir galvanométrique à deux axes de balayage, GM, contrôle les angles d’incidence (θx, θy)s du faisceau de lumière sur la fibre. BS1, BS2 et BS3sont des cubes séparateurs, OL est un objectif de microscope, Ip est le plan d’entrée de la fibre, OP le plan de l’objet, ici une mire de microscopie. Crédit Wonshik Choi.

 

La lumière réfléchie par l’objet est collectée par la même fibre optique de 1 m de long et de 200µm de diamètre de cœur. Elle est guidée jusqu’à l’entrée de la fibre, traverse deux cubes séparateurs  et est enregistrée par la caméra. Le faisceau laser  réfléchi par BS1 se combine avec celui venant de la fibre pour former une image d’interférences dans la caméra.

De celle-ci est extraite par calcul amplitude et phase de l’image venant de la fibre. En utilisant la matrice de transmission mesurée précédemment, on reconstitue enfin à l’aide d’un ordinateur l’image finale. La résolution de l’image est de l’ordre de 1,8 µm. Le champ est de l’ordre du diamètre, 200 µm, de la fibre.

En outre, il existe  une distorsion de la lumière éclairant l’objet due à l’effet de tavelures.

Les tavelures (en anglais speckles ) sont un ensemble de petites taches rapidement fluctuantes qui apparaissent sur une image et qui lui donnent un aspect granuleux. Elles sont dues à la diffusion des ondes d’un faisceau de lumière cohérent spatialement sur les irrégularités à l’échelle de la longueur d’onde de la cible.

On s’en affranchit en balayant les anges d’illumination grâce au miroir galvanométrique. On prend 500 images sous différents angles d’illumination : leur moyenne supprime l’effet des tavelures.  Et cela ne prend qu’une seconde, ce qui détermine le temps d’acquisition de l’image.

En déplaçant légèrement la fibre latéralement, on peut augmenter le champ de l’image, ce que met en évidence la figure 2.

<em>Fig.2. Un léger balayage de la fibre augmente le champ. a) l'extrémité de la fibre est déplacée pour prendre des images en différents points de l'objet. Les images de l'objet ainsi prises sont reconstituées avec la même matrice de transmission, celle de la fibre avant déplacement. b) les images finales obtenues sont combinées en mosaîque pour donner le champ final. L'objet est ici une mire microscopique. La barre d'échelle(en bleu) vaut 100µm.  Crédit  Wonshik Choi.</em>

Fig.2. Un léger balayage de la fibre augmente le champ. a) l’extrémité de la fibre est déplacée pour prendre des images en différents points de l’objet. Les images de l’objet ainsi prises sont reconstituées avec la même matrice de transmission, celle de la fibre avant déplacement. b) les images finales obtenues sont combinées en mosaîque pour donner le champ final. L’objet est ici une mire microscopique. La barre d’échelle(en bleu) vaut 100µm.  Crédit  Wonshik Choi.

 

La figure ci-dessous est un schéma plus détaillé de l’appareillage utilisé pour la prise de vue et l’étalonnage de la fibre.

<em>Fig.3. Détails du montage expérimental. a) Montage de prise de vue LMSF.</em><br /><em>b) Montage d'étalonnage de la fibre, c'est-à-dire de mesure de sa matrice de transmission;</em><br /><em>OL objectif de microscope, GM miroir galvanométrique à deux axes de rotation, PBS cube séparateur polarisant, HWP, lame de retard demi-onde, OP plan de l'objet,  IP, plan d'entrée de la fibre. Crédit Wonshik Choi.</em>

Fig.3. Détails du montage expérimental. a) Montage de prise de vue LMSF.
b) Montage d’étalonnage de la fibre, c’est-à-dire de mesure de sa matrice de transmission;
OL objectif de microscope, GM miroir galvanométrique à deux axes de rotation, PBS cube séparateur polarisant, HWP, lame de retard demi-onde, OP plan de l’objet,  IP, plan d’entrée de la fibre. Crédit Wonshik Choi.

 

 

L’utilisation de l’ordinateur pour corriger les distorsions de l’image peut paraître une complication mais cela est beaucoup moins onéreux que fabriquer des endoscopes classiques de haute qualité optique.

L’un des problèmes de cette technique  est que la fibre ne peut pas être déformée beaucoup à partir de la forme qu’elle a lors de son étalonnage. l’endoscope ne peut pas être aussi flexible que la fibre. Mais l’équipe de Wonshik Choi envisage de pratiquer l’étalonnage in situ , ce qui résoudrait ce problème.

L’obtention  du relief par refocalisation numérique

L’un des grands intérêts d’avoir  de nombreuses images couvrant un large domaine d’angle d’incidence est aussi qu’elles peuvent facilement être utilisées pour construire une image 3 D. Sur la figure 4 c, on peut voir que l’image originale b) nette au point B a pu être refocalisée numériquement en un point A situé à 40 µm vers l’extrémité de la fibre. Cette refocalisation numérique permet d’explorer le relief de l’image sans avoir à faire de balayage en profondeur à la prise de vue.

<span style="font-size: small;"><em>Fig.4. Image d'une villosité de l'intestin d'un rat. a) Image composite en microscopie conventionnelle  constituée de plusieurs images  de mises au point différentes.</em></span> <span style="font-size: small;"><em>b) Image composite de plusieurs images LMSF du même objet. c) la même image qu'en b) mais après une nouvelle mise aupoint numérique correspondant à un rapprochement de 40µm de l'extrémité de la fibre. Les flèches repérées par A indiquent la villosité nette en c), celles repérées par B celle nette en b).</em></span><br /><span style="font-size: small;"><em>On observe que le contraste de l'image LSMF est meilleurque celui de l'image en microscopie conventionnelle. Barre d'échelle 100µm. Crédit Wonshik Choi.</em></span>

Fig.4. Image d’une villosité de l’intestin d’un rat. a) Image composite en microscopie conventionnelle  constituée de plusieurs images  de mises au point différentes. b) Image composite de plusieurs images LMSF du même objet. c) la même image qu’en b) mais après une nouvelle mise aupoint numérique correspondant à un rapprochement de 40µm de l’extrémité de la fibre. Les flèches repérées par A indiquent la villosité nette en c), celles repérées par B celle nette en b).
On observe que le contraste de l’image LSMF est meilleurque celui de l’image en microscopie conventionnelle. Barre d’échelle 100µm. Crédit Wonshik Choi.

 

 

L’équipe de chercheurs met au point un endoscope rigide qui, outre son extrême finesse aura une résolution de moins d’un micromètre, bien supérieure à celle des endoscopes actuels.  Et on peut très facilement insérer la fibre optique dans une aiguille de biopsie, en prenant l’image d’un tissu biologique devant la fibre, on pourrait obtenir un diagnostic in situ pour nombre d’affections.

 

 

 

La vidéo suivante représente le processus de reconstruction au cours du temps de l’image en LMSF. Les angles indiqués à gauche  sont les angles d’incidence de l’éclairage sue=r la fibre x, θy)s.On voit, à gauche, une  suite d’ images distordues enregistrées par la caméra, au milieu une suite de reconstructions d’images après utilisation de la matrice de transmission . La figure de droite est la somme moyennée des images du milieu, ce qui supprime l’effet des tavelures et donne une image finale nette.

Crédit Wonshik Choi.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Scanner-Free and Wide-Field Endoscopic Imaging by Using a Single Multimode Optical Fiber
Youngwoon Choi, Changhyeong Yoon, Moonseok Kim, Taeseok Daniel Yang, Christopher Fang-Yen, Ramachandra R. Dasari, Kyoung Jin Lee, and Wonshik Choi

Phys. Rev. Lett. 109, 203901 (2012)