[論文レビュー] Deep imaging inside scattering media through virtual spatiotemporal wavefront shaping

Yiwen Zhang, Minh Dinh+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Random lasers and scattering media被引用数 4

ひとこと要約

本論文は散乱行列トモグラフィー（SMT）を導入し、ハイパースペクトル散乱行列を測定することで、物理的ガイドスターや侵襲的プローブに依存せず、深く、回折限界に達するイメージングを散乱媒体内でする計算手法を提供する。SMTは、不活性マウス脳組織および密度の高いコロイドにおいて、1 mmの深さでサブミクロンオーダーの横方向分解能と1ミクロンの軸方向分解能を達成した。これは、既存のラベルフリー手法が失敗する条件下でも成立する。

ABSTRACT

The multiple scattering of light makes materials opaque and obstructs imaging. Wavefront shaping can reverse the scattering process, but imaging with physical wavefront shaping has limitations such as requiring physical guidestars, being restricted within a small isoplanatic volume, and relying on slow wavefront updates, with some approaches only working for planar targets outside the scattering media. Here, we introduce scattering matrix tomography (SMT): measure the hyperspectral scattering matrix of the sample, use it to digitally scan a synthesized confocal spatiotemporal focus and construct a volumetric image of the sample, and then use the tomograms as virtual guidestars in a nonconvex optimization to find the pulse shape, input wavefront, and output wavefront that can compensate for aberrations and scattering. SMT combines the strengths of wavefront shaping, spatiotemporal gating, and computational adaptive optics, eliminating physical guidestars and enabling digital double-path wavefront corrections tailored for every isoplanatic volume. We demonstrate sub-micron lateral resolution and one-micron axial resolution at one millimeter beneath ex vivo mouse brain tissue and over three transport mean free paths inside an opaque colloid, where existing imaging methods all fail due to the overwhelming multiple scattering. As a noninvasive and label-free method that works both inside and outside the scattering media, SMT may be applied broadly across medical imaging, biological science, device inspection, and colloidal physics.

研究の動機と目的

• 物理的波面整形の根本的制限、例えば侵襲的ガイドスターや限局されたアイソプランティック領域への依存を克服する。
• 生物学的組織やコロイドのような濁った媒体において、散乱限界を超えた高分解能ボリュームイメージングを可能にする。
• 従来の適応光学のハードウェア的制限を排除し、物理的波面補正を仮想的ガイドスターより合成されたデジタル最適化に置き換える。
• 散乱媒体内部および外部の広範囲のボリューム領域において、非侵襲的でラベルフリーかつ複数のアイソプランティック領域をカバーする波面整形を実現する。
• 波面整形とイメージングを行列ベースの最適化問題に変換する計算フレームワークを構築し、デジタル信号処理によって解けるようにする。

提案手法

• 可変波長レーザーとブirefringentフィルタの走査を用いて、試料のハイパースペクトル散乱行列 $ S(\boldsymbol{k}_{\text{out}}, \boldsymbol{k}_{\text{in}}, \nu) $ を測定する。
• 測定された散乱行列を用いて、デジタルにコントフォーカルな空間的・時間的焦点を合成し、試料の3次元ボリュームイメージを再構成する。
• 再構成されたイメージを内在的仮想ガイドスターより、入力および出力波面とパルス形状の最適化のための非侵襲的フィードバックとして用いる。
• 式 (2)–(3) による反復的最適化を適用し、物理的プローブを用いずに、収差および多次散乱を補償して、ターゲット点での強度を最大化する。
• 非一様な高速フーリエ変換（NFFT）を用いて高速な3次元再構成を実現し、インデックス不一致補正を実装して精度を向上させる。
• 反射行列の非対角成分を活用して焦点深度を拡張し、散乱光を焦点化信号に変換することで、高分解能イメージングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的ガイドスターや侵襲的プローブなしに、散乱媒体内部で回折限界分解能を達成できるか？
• RQ2 再構成されたイメージをフィードバックとして用いる仮想的波面整形により、ハードウェアフリーで複数のアイソプランティック領域にわたる波面補正が可能か？
• RQ3 ハイパースペクトル散乱行列測定により、従来の共焦点顕微鏡やOCT手法の限界を超えたボリュームイメージングと高分解能イメージングが可能か？
• RQ4 極度に散乱する環境下で、SMTの性能は既存の波面整形およびイメージング技術と比べてどのように差をつけるか？
• RQ5 全行列取得の必要があるにもかかわらず、リアルタイムまたは生体内応用に向けた高速化が可能か？

主な発見

• SMTは、不活性マウス脳組織において1 mmの深さでサブミクロンオーダーの横方向分解能と1ミクロンの帯域制限付き軸方向分解能を達成した。
• 本手法は、多重散乱が著しく進行する密度の高いコロイドや散乱媒体内部のイメージングを可能にしたが、これは既存のすべてのラベルフリーイメージング技術が失敗する条件下でも成立する。
• 仮想ガイドスターサイドフィードバック機構により、物理的プローブの必要性が排除され、任意の数のアイソプランティック領域にわたる波面補正が可能となった。
• 可変レーザーのスキャン・アンド・ストップ方式から連続スキャンに切り替えることで、3Dスキャンの合計測定時間を3分から5秒に短縮した。
• 「拡張部分因子分解法」を用いたフル波動数値シミュレーションにより、SMTの性能と安定性が現実の散乱条件下で妥当であることが検証された。
• ハイパースペクトル散乱行列により、スペクトル解析（例：ヘモグロビンの酸素飽和度）やナノメートルオーダーの微小変位の位相感受性検出といった追加の機能が可能となった。