[論文レビュー] Noninvasive linear fluorescence imaging through scattering media via wavefront shaping

Anat Daniel, Dan Oron+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Random lasers and scattering media参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、波面整形を用いて散乱媒体を透過する線形蛍光イメージングの非侵襲的手法を提示している。この手法は、標的からの空間的蛍光対比を活用する。入射ビームの入射角をスキャンし、バケツ検出器で測定された信号変動を最大化することで、励起光を焦点化し、物体全体にわたって焦点を走査することで画像を再構成する。この方法により、侵襲的キャリブレーションや散乱媒体に関する事前知識が不要な高分解能イメージングが実現される。

ABSTRACT

We demonstrate focusing and imaging through a scattering medium noninvasively by using wavefront shaping. Our concept is based on utilizing the spatial fluorescence contrast which naturally exists in the hidden target object. By scanning the angle of incidence of the illuminating laser beam and maximizing the variation of the detected fluorescence signal from the object, as measured by a bucket detector at the front of the scattering medium, we are able to generate a tightly focused excitation spot. Thereafter, an image is obtained by scanning the focus over the object. The requirements for applicability of the method are discussed.

研究の動機と目的

• 強力に散乱する生物学的組織を透過した非侵襲的で高分解能の蛍光イメージングを可能にすること。
• 光が多重散乱され焦点が歪むため、従来のイメージングでは制限される散乱媒体内での課題を克服すること。
• 散乱媒体に関する事前知識や侵襲的キャリブレーション手順を必要としない手法を開発すること。
• 波面整形のフィードバック信号として、標的対象の内在的空間的蛍光対比を活用すること。
• 単一のバケツ検出器と角度ビームスキャンのみを用いて、散乱媒体を透過した実用的イメージングを実証すること。

提案手法

• 本手法は空間光変調器（SLM）を用いて入射レーザー光の波面を整形する。
• レーザー光の入射角をSLM上で系統的にスキャンし、さまざまな波面設定を探索する。
• 散乱媒体の前面に配置されたバケツ検出器が全蛍光信号を記録し、最適化のフィードバックとして用いられる。
• 波面を反復的に調整することで蛍光信号の変動を最大化し、きわめて狭い励起スポットを生成する設定を同定する。
• 焦点が形成された後、励起スポットを物体全体に点々と走査することで、全画像を構築する。
• 本手法は標的の自然な空間的蛍光対比に依存しており、外部マーカーや基準物体の必要がない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散乱媒体に関する事前知識がなくても、波面整形を用いて非侵襲的蛍光イメージングを実現できるか？
• RQ2 標的対象の内在的蛍光対比が、波面最適化の信頼できるフィードバック信号として機能するか？
• RQ3 単一のバケツ検出器と角度ビームスキャンのみで高分解能イメージングが可能か？
• RQ4 厚い散乱試料を透過した場合の、焦点化効率および画像品質の面での本手法の性能はいかがなものか？
• RQ5 生物学的イメージングへの応用における、実用的限界および要件は何か？

主な発見

• 本手法は、単一のバケツ検出器と角度ビームスキャンのみを用いて、散乱媒体を透過した励起光の準拡散限界以下の焦点化を成功裏に実現した。
• 画像再構成は、焦点を物体全体に走査することで実現され、侵襲的キャリブレーションが不要な高分解能蛍光イメージングが可能になった。
• 本技術は標的の自然な空間的蛍光対比を活用しており、外部マーカーや基準物体の必要がない。
• 本手法は非侵襲的であり、散乱媒体の伝送行列や事前特徴化に関する知識も不要である。
• 本手法は厚い散乱試料を透過したイメージングにおいても頑健であり、実用的な生物学的イメージング応用に十分な信号対雑音比を示した。
• 波面整形が蛍光信号変動に基づいて行われることで、高散乱環境下でのイメージングに有効に応用可能であることが示された。