[論文レビュー] Harnessing Forward Multiple Scattering for Optical Imaging Deep Inside an Opaque Medium

Ulysse Najar, Victor Barolle+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2023

Optical Coherence Tomography Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、反射行列 R を測定するためにデスキャンドフルフィールド光学コherenceトモグラフィー（FFOCT）設定を用いることで、生物組織の多重散乱媒体内における深部光学イメージングのための時間ゲート付き透過行列を非侵襲的に回復する手法を提示する。R における波面歪みの反復的マルチスケール解析を通じて、前方多重散乱成分が抽出され、人間の不透明な角膜において、最先端の手法より5倍の深さまで到達する3次元共焦点イメージングが可能となる。

ABSTRACT

As light travels through a disordered medium such as biological tissues, it undergoes multiple scattering events. This phenomenon is detrimental to in-depth optical microscopy, as it causes a drastic degradation of contrast, resolution and brightness of the resulting image beyond a few scattering mean free paths. However, the information about the inner reflectivity of the sample is not lost; only scrambled. To recover this information, a matrix approach of optical imaging can be fruitful. Here, we report on a de-scanned measurement of a high-dimension reflection matrix R via low coherence interferometry. Then, we show how a set of independent focusing laws can be extracted for each medium voxel through an iterative multi-scale analysis of wave distortions contained in R. It enables an optimal and local compensation of forward multiple scattering paths and provides a three-dimensional confocal image of the sample as the latter one had become digitally transparent. The proof-of-concept experiment is performed on a human opaque cornea and an extension of the penetration depth by a factor five is demonstrated compared to the state-of-the-art.

研究の動機と目的

• 生物学的組織の深部光学イメージングにおける多重散乱の根本的制限を克服すること。
• 侵襲的アクセスを伴わずに、カメラセンサーと内部サンプルボクセルを結ぶ時間ゲート付き透過行列を回復すること。
• 生物学的組織のような不透明な散乱媒体の内部に、ボリュメトリックで共焦点的イメージングを可能にすること。
• 非侵襲的で干渉計的手法を用いて、散乱平均自由行程を超える顕著なイメージング深さの向上を実証すること。
• 人間の角膜——非常に散乱が強く不透明な組織——を対象に、前例のない深さまで到達するイメージングを実現すること。

提案手法

• ラスタースキャンを伴わずに、デスキャンドフルフィールド光学コherenceトモグラフィー（FFOCT）を用いて反射行列 R を測定する。
• 低コherence干渉計測を用いて、高SNRの時間ゲート付き共焦点的信号取得を実現する。
• デスキャンド R 行列にフーリエ変換を適用し、焦点位置と歪んだ波面を結ぶ歪み行列 D を抽出する。
• D の反復的マルチスケール解析を実施し、透過行列 T の前方多重散乱成分を分離・推定する。
• 空間相関解析による散乱と歪みの寄与を分離することで、透過行列 T を再構築する。
• 回復された T 行列を用いて、前方多重散乱をデジタルに補償し、高分解能の3次元共焦点イメージングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多重散乱媒体において、反射行列から時間ゲート付き透過行列を非侵襲的に回復できるか？
• RQ2 反射行列内の波面歪みのマルチスケール解析によって、高い空間分解能で前方多重散乱成分を回復できるか？
• RQ3 回復された透過行列により、高散乱性の生物学的組織において、3次元共焦点イメージングが深さを拡張して可能になるか？
• RQ4 本手法の性能は、従来の共焦点イメージングおよび既存の行列イメージング技術と比較して、分解能および深さの面で優れているか？
• RQ5 本手法は、非共鳴的でバケット型補正ではなく、共鳴的・物理的補正を実現できるか？

主な発見

• 本手法は、非侵襲的でデスキャンド FFOCT 測定を用いて、反射行列 R から時間ゲート付き透過行列を成功裏に回復した。
• 歪み行列 D のマルチスケール解析により、約 6 μm 解像度で前方多重散乱成分の空間的推定が可能となった。
• 再構築された透過行列により、前方多重散乱の最適補償が可能となり、媒質が透明であるかのように、サンプルの3次元共焦点画像が得られた。
• 人間の不透明角膜において、最先端手法と比較して、散乱平均自由行程の約5倍の深さまで到達し、~10 にまで拡張された。
• 空間相関が保持されていることから、本手法は多重散乱の共鳴的補償を実現しており、従来手法の非共鳴的補正とは対照的である。
• IPR（反復的位相回復）法は、背景が最小限でヴィgnettingがない近似理想のポイントスプレッド関数を生成したのに対し、CLASS は強い背景と空間非一様性を示した。