Franco Israeli P2R project 2005-2006

Summary:

Confocal microscopy offers several advantages over conventional optical microscopy with its small depth-of-field, its reduction of out-of-focus blur, and its full three-dimensional (3D) image scanning ability. For biomedical applications, it can also acquire images of living cells, usually labeled with one or more fluorescent probes. The confocal laser scanning microscope (CLSM) is an optical fluorescence microscope associated to a laser that scans the specimen in 3D and uses a pinhole to reject most out-of-focus light. The ability of CLSM to image optical sections of thick specimens explains its rapidly increasing use in biological research.
Despite the advantages of the CLSM, the quality of confocal microscopy images suffers from two basic physical limitations. First, out-of-focus blur due to the diffraction-limited nature of optical microscopy remains substantial, even though it is reduced compared to widefield microscopy. Second, the confocal pinhole drastically reduces the amount of light detected by the photomultiplier, leading to Poisson noise. The images produced by CLSM can therefore benefit from postprocessing by reconstruction methods designed to reduce blur and/or noise.
The aim of this proposal is two folds :
First, we want to propose methods for image deconvolution, assuming we know the point spread function (PSF), which models the degradation of the optical acquisition system. We also assume the noise is known (Poisson noise or approximated Gaussian noise with known standard deviation).
Second, we want to propose solutions for the real case, when the degradation is not exactly known. So we have to estimate both the degradation and the restored image from the observations only.

Résumé :

La microscopie confocale offre de nombreux avantages par rapport à la microscopie optique conventionnelle grâce à sa faible profondeur de champ, sa réduction de flou dû à la défocalisation et son habileté à scanner des images tridimensionelles (3D). Pour les applications biomédicales, il peut aussi acquérir des images de cellules in vivo, habituellement marquées par un ou plusieurs marqueurs fluorescents. Le microscope confocal à balayage laser (CLSM) est un microscope optique à fluorescence associé à un laser qui balaye le spécimen en 3D et utilise un pinhole qui rejette une grande partie de la lumière hors du plan de focalisation. L'habileté du CLSM à imager des sections à différentes profondeurs d'un spécimen explique l'augmentation rapide du nombre d'utilisateurs.
Malgré les avantages du CLSM, la qualité des images confocales souffrent de deux limitations physiques basiques. Premièrement, un flou non négligeable dû à la défocalisation résultant des limites de l'instrumentation optique même s'il est réduit par rapport à la microscopie en champ large. Deuxièmement, le pinhole confocal réduit considérablement la quantité de lumière détectée par le photomultiplicateur, menant à une statistique de Poisson. Les images produites par le CLSM peuvent donc être post-traitées en utilisant des méthodes de reconstruction permettant de réduire le flou et/ou le bruit.
L'objectif de ce projet est double :
Nous voulons dans un premier temps, proposer de nouvelles méthodes de déconvolution, en supposant que la PSF (Point Spread Function), qui modélise la dégradation induite pas le système optique, est connue. Nous supposerons également que le bruit est connu (bruit de Poisson ou bruit Gaussien dont on connait l'écart-type).
Dans un second temps, nous souhaitons proposer des solutions dans le cas réel, lorsque la dégradation n'est pas exactement connue. Il faut alors estimer non seulement la dégradation mais aussi l'image restaurée depuis l'image observée.

Description:

You will find here a complete description of the project and here the final report for the years 2005 and 2006.