De l’infiniment grand à l’infiniment petit

Greffée au télescope scientifique de 1,6 mètre de l’Observatoire du Mont-Mégantic, la caméra mise au point par Olivier Daigle durant son doctorat a permis d’obtenir une image d’une galaxie à la suite de trois heures d’exposition au cours desquelles environ trois millions de photons provenant de la galaxie ont été captés par la caméra.
Photo: Observatoire du Mont-Mégantic Greffée au télescope scientifique de 1,6 mètre de l’Observatoire du Mont-Mégantic, la caméra mise au point par Olivier Daigle durant son doctorat a permis d’obtenir une image d’une galaxie à la suite de trois heures d’exposition au cours desquelles environ trois millions de photons provenant de la galaxie ont été captés par la caméra.
C’est l’histoire d’une belle aventure scientifique, celle d’un jeune chercheur québécois passionné d’astrophysique qui a conçu une caméra ultrasensible permettant de détecter les photons émis par des exoplanètes situées à des années-lumière de nous. Mais le plus étonnant est que cette technologie qu’il a imaginée pour sonder l’infiniment grand sert aussi à voir l’infiniment petit, comme des cellules cancéreuses enfouies dans le cerveau.
 

Lorsqu’Olivier Daigle entreprend son doctorat en astrophysique à l’Université de Montréal, son but est d’estimer la quantité de matière sombre que renferme un ensemble de galaxies proches, et de la localiser.

Pour détecter la matière sombre qui n’émet pas de lumière, on s’intéresse à son effet gravitationnel, soit l’effet de sa masse, sur la matière visible. C’est en raison de la présence de matière sombre qu’une étoile située à une certaine distance du centre de la galaxie se déplace à une vitesse précise sur son orbite, rappelle-t-il. « En mesurant la vitesse de rotation de la matière visible d’une galaxie, on peut connaître la masse totale de la galaxie. Puis, en calculant la quantité de matière visible dans cette même galaxie, on peut déduire la quantité de matière sombre qu’elle doit contenir et où elle se retrouve dans la galaxie par des modèles orbitaux », résume M. Daigle avant d’expliquer comment il a procédé.

Pour calculer la vitesse de rotation de la matière visible, le chercheur devait mesurer les légers décalages que subit la lumière émise par le nuage d’hydrogène à proximité d’une étoile en raison de l’effet Doppler. « Il nous fallait une caméra très sensible, car nous devions utiliser des filtres à balayage très étroits permettant de mesurer des décalages Doppler de l’ordre de fractions d’angström de résolution spectrale, et qui laissent passer très peu de lumière. De plus, la caméra devait permettre une vitesse de lecture rapide, car les conditions du ciel ne devaient pas changer pendant un balayage complet du filtre », explique M. Daigle qui, pour relever ce défi, a développé une nouvelle caméra qui détecte l’arrivée des photons avec une grande précision grâce à une réduction du bruit parasite qui normalement brouille la mesure des signaux lumineux.

Greffée au télescope scientifique de 1,6 mètre de l’Observatoire du Mont-Mégantic, la caméra mise au point par Olivier Daigle durant son doctorat a permis d’obtenir une image d’une galaxie à la suite de trois heures d’exposition au cours desquelles environ trois millions de photons provenant de la galaxie ont été captés par la caméra, « ce qui représente 100 000 milliards de fois moins de lumière qu’émet une ampoule électrique de 100 watts en une seconde », précise le chercheur pour souligner la faible luminosité que peut détecter sa caméra à comptage de photons.

La caméra à comptage de photons voit les photons arrivés un par un, alors que typiquement, une caméra normale ne peut déceler la présence de lumière qu’à partir d’une dizaine, voire une centaine de photons. « La caméra à comptage de photons n’a besoin que d’un seul photon. C’est l’ultime sensibilité. S’il n’y a pas de photon, la caméra devrait donner une image parfaitement noire, mais ce n’était pas toujours le cas. Le bruit donnait l’impression que le capteur avait vu de la lumière alors qu’il n’y en avait pas », explique Olivier Daigle qui a construit un système électronique dans le but de diminuer la quantité de bruit généré. « Le nouveau capteur a la même sensibilité, il voit autant de photons qu’avant, mais lors de la lecture, il y a une plus grande probabilité qu’un pixel ait été allumé par un photon que par du bruit généré par l’électronique. »

 

Source de bruit

Lorsqu’un photon arrivant d’une étoile ou d’une cellule qu’on a rendue luminescente frappe le détecteur fait d’un bloc de silicium, il arrache un électron à l’atome qu’il a percuté. Ce phénomène survient en vertu de l’effet photoélectrique qu’a découvert Albert Einstein et qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1921.

L’électron qui a été sorti de son orbite autour de l’atome de silicium s’accumule ensuite dans le pixel, l’unité de résolution du détecteur. Chaque pixel accumule ainsi des électrons pendant le temps d’exposition, qui peut durer de quelques millisecondes à quelques heures.

Une fois l’exposition terminée, on doit « lire », c’est-à-dire calculer, la quantité d’électrons qui s’est accumulée sur chacun des pixels, ce qui permettra de former l’image. Plus un pixel aura accumulé d’électrons, plus il sera brillant.

Plusieurs phénomènes indésirables peuvent toutefois perturber la lecture du signal dans chacun des pixels et générer ce qu’on appelle un bruit de lecture. « On ne peut pas compter les électrons un à un, car leur charge est trop faible. Pour en connaître la quantité, il faut donc déplacer les électrons dans un petit condensateur où il sera possible de mesurer une tension électrique qui correspondra à leur nombre », explique Olivier Daigle.

À très faible luminosité, la principale source de bruit est l’injection de charge qui survient lors du déplacement des électrons vers le condensateur. C’est un contrôleur branché à la puce d’imagerie qui, en provoquant des variations brusques de tension dans la puce d’imagerie, induit le déplacement des électrons accumulés sur un pixel vers le condensateur. Or, cette façon de faire générait de nouveaux électrons, qui allaient s’accumuler dans les pixels. De plus, il était impossible de différencier un électron généré par un photon d’un électron généré spontanément à la suite de variations de tensions induites par le contrôleur pendant le processus de déplacement des autres électrons. Ainsi, même si la caméra se trouvait complètement dans le noir, il pouvait y avoir des pixels qui étaient allumés, ce qui donnait l’impression qu’ils avaient reçu de la lumière alors qu’ils n’en avaient pas eu.

Pour éliminer ce faux signal-là, Olivier Daigle a construit un tout nouveau contrôleur qui génère avec plus de précision les tensions qui sont envoyées à la puce d’imagerie pour déplacer les électrons. « Il faut monter graduellement la tension sur chacune des entrées de la puce d’imagerie pour induire le déplacement des électrons d’une manière plus gentille, ce qui génère moins de nouveaux électrons. »En reconstruisant l’électronique de pilotage des puces d’imagerie, le chercheur a réussi à diviser par 10 la source dominante de bruit des puces d’imagerie, ce qui a eu pour conséquence de produire des images beaucoup plus nettes. « Cette caméra a permis de quadrupler l’efficacité de nos observations astronomiques. Ce qu’on faisait en une heure d’observation auparavant, on peut maintenant le faire en 15 minutes. On peut donc observer plus d’objets par nuit ou voir des objets faiblement lumineux qu’on ne pouvait pas voir avant, car il aurait fallu rester trop longtemps sous le télescope », fait-il remarquer.

À la fin de son doctorat, Oliver Daigle, qui avait reçu une bourse en recherche industrielle de la compagnie Photon ETC, a reçu le soutien de cette dernière pour démarrer une entreprise qui permettrait de commercialiser sa caméra et de développer de nouvelles applications. Fondée en 2010, Nüvü Caméras inc. compte aujourd’hui 25 employés et Olivier Daigne en est le vice-président recherche et développement.

Un photon, c’est un photon

La caméra ne fait pas de distinction entre un photon provenant d’une galaxie située à des années-lumière de nous et mesurant des milliers d’années-lumière de diamètre et un photon émis par une cellule d’un micromètre sous l’objectif du microscope, fait remarquer M. Daigle avant de décrire les multiples utilisations de sa caméra en biologie, en chimie et en médecine.

Par exemple, à l’aide de traceurs lumineux, sa caméra permet de suivre l’évolution d’un cancer chez un petit animal ou d’étudier l’efficacité d’un médicament.

La caméra Nüvü peut également être greffée à un microscope chirurgical afin de guider en temps réel le neurochirurgien durant la résection d’une tumeur au cerveau. Pour ce faire, on injecte d’abord au patient une substance qui favorisera la production de protoporphyrine IX (PpIX), une molécule qui s’accumule plus particulièrement dans les cellules cancéreuses et qui, lorsqu’on vient l’exciter avec une lumière bleue, émet une lumière rose. « Dans certains cancers, comme le cancer du cerveau, la molécule est indétectable dans les cellules normales alors que les cellules cancéreuses de glioblastome et de gliome de bas grade produisent une fluorescence qui est visible à l’oeil nu », précise Yoann Gosselin qui a travaillé sur cette application dans le cadre de sa maîtrise avec le professeur Frédéric Leblond de l’École polytechnique de Montréal.

Les images générées par la caméra au cours de l’opération deviennent particulièrement intéressantes vers la fin de l’intervention, soit une fois que le chirurgien a enlevé le tissu cancéreux que l’image obtenue par résonance magnétique avant l’opération lui a révélé. Hypersensible, la caméra Nüvü permet de détecter des niveaux extrêmement faibles de fluorescence rose, souligne M. Leblond. Elle permet ainsi de repérer des cellules cancéreuses résiduelles que le chirurgien n’avait pas vues. En éliminant ces dernières cellules, on augmente énormément les chances de survie du patient.

Jusqu’à maintenant, les neurochirurgiens utilisaient une sonde qu’ils déplaçaient au hasard dans le tissu cérébral pour vérifier si au bout de la sonde, il y avait des cellules cancéreuses. Mais par cette détection point par point, il était possible que le chirurgien ne survole pas un endroit contenant des cellules cancéreuses, qui auraient été à l’origine d’une récurrence du cancer. « Avec la caméra, le neurochirurgien a une image de l’ensemble du cerveau en temps réel et cette image est générée de façon absolument non invasive », souligne M. Daigle.

L’ajout de la caméra au microscope a jusqu’à maintenant été expérimenté dans le laboratoire de radiologie optique sur de faux cerveaux, mais il le sera en salle d’opération dans le cadre d’une étude clinique qui se déroulera aux États-Unis l’été prochain et à laquelle participera le professeur Leblond.

Télescope WFirst

Olivier Daigle se réjouit aussi tout particulièrement de l’intérêt que portent à sa caméra les concepteurs du télescope spatial WFirst, qui succédera au télescope James Webb en 2024. « Ils planifient de mettre sur ce télescope un appareil qui permettra de faire l’imagerie de planètes tournant autour d’autres étoiles. La quantité de lumière qui nous arrive de ces planètes-là est excessivement faible, soit de l’ordre de quelques photons par heure. Ils ont donc besoin d’un système d’imagerie excessivement sensible et ils étudient notre système qui pourrait être greffé derrière le télescope », explique M. Daigle.

1 commentaire
  • Gilles Théberge - Abonné 18 octobre 2014 10 h 11

    Dommage

    Oui il est dommage que cet article soit cadenassé. Cet avancement de la science a de multiples retombées et le chercheur Olivier D'aigle vient par le résultat de ses travaux contribuer significativement à l'accélération des connaissances aux retombées concrètes susceptibles à la fois de mieux comprendre l'univers et d'augmenter l'espérance et la qualité de la vie des personnes atteintes par le cancer.

    Peut-on penser qu'il y ait là de la graine de Nobel version Qébécoise?!