[논문 리뷰] Deep imaging inside scattering media through virtual spatiotemporal wavefront shaping

Yiwen Zhang, Minh Dinh외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 15.

Random lasers and scattering media인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 산란 매질 내에서 깊이 있는, 회절 한계에 도달하는 영상 기술인 산란 행렬 단층촬영(SMT)을 소개한다. SMT는 고분광 산란 행렬을 측정하고 재구성된 영상을 가상의 가이드스타로 활용하여 하드웨어 없이 시공간적 위상파면 보정을 가능하게 한다. SMT는 고체 콜로이드와 고정된 마우스 뇌 조직에서 1mm 깊이에서 1미크론 이하의 횡방향 해상도와 1미크론의 축방향 해상도를 달성하며, 기존의 모든 레이블 프리 방법이 실패하는 조건에서도 성능을 발휘한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 물리적 위상파면 보정의 근본적 한계, 즉 침습적인 가이드스타 의존성과 국소적 등변성 영역 제한을 극복한다.
• 생체 조직과 콜로이드와 같은 흐린 매질에서 산란 깊이 한계를 초월한 고해상도 부피 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 기존 적응광학의 하드웨어 제약을 제거하기 위해 물리적 위상파면 보정을 디지털 최적화를 통해 합성된 가상의 가이드스타로 대체한다.
• 산란 매질 내외의 광범위한 부피 영역에서 비침습적, 레이블 프리, 다중 등변성 영역 영상 촬영을 실현한다.
• 위상파면 보정과 영상 촬영을 매트릭스 기반, 최적화 기반 문제로 변환하여 디지털 신호 처리로 해결 가능한 계산 프레임워크를 개발한다.

제안 방법

• 조절 가능한 레이저와 이중성 투과 필터 스캐닝을 통해 샘플의 고분광 산란 행렬 $ S(\boldsymbol{k}_{\text{out}}, \boldsymbol{k}_{\text{in}}, \nu) $ 를 측정한다.
• 측정된 산란 행렬을 사용하여 디지털로 집중된 시공간 초점을 합성하고 샘플의 3차원 부피 영상을 재구성한다.
• 재구성된 영상을 내재된 가상의 가이드스타로 간주하여 입력 및 출력 위상파면과 펄스 형상 최적화를 위한 비침습적 피드백을 제공한다.
• 식 (2)–(3)을 통해 반복 최적화를 적용하여 목표 지점에서 강도를 최대화하고, 물리적 프로브 없이 비틀림과 다중 산란을 보정한다.
• 빠른 3차원 재구성을 위해 비균일한 빠른 푸리에 변환(NFFT)을 사용하고, 인덱스 불일치 보정을 구현하여 정확도를 향상시킨다.
• 반사 행렬의 비대각 성분을 활용하여 초점 깊이를 연장하고 산란된 빛을 집중된 신호로 전환하여 고해상도 영상 촬영을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 가이드스타나 침습적 프로브 없이 산란 매질 내 깊이에서 회절 한계 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 재구성된 영상을 피드백으로 사용하는 가상의 위상파면 보정이 하드웨어 없이 다중 등변성 영역 위상파면 보정을 가능하게 하는가?
• RQ3 고분광 산란 행렬 측정이 기존의 공초점 및 OCT 기법의 한계를 초월한 부피 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ4 극도로 산란되는 환경에서 SMT의 성능은 기존의 위상파면 보정 및 영상 촬영 기법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 전체 매트릭스 측정이 필요함에도 불구하고 실시간 또는 생체 내 응용을 위한 가속화가 가능한가?

주요 결과

• SMT는 고정된 마우스 뇌 조직에서 1mm 깊이에서 1미크론 이하의 횡방향 해상도와 1미크론의 대역폭 제한 축방향 해상도를 달성한다.
• 이 방법은 모든 기존의 레이블 프리 영상 기법이 다중 산란으로 인해 실패하는 조건에서의 고체 콜로이드 및 산란 매질 내부의 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 가상의 가이드스타 피드백 메커니즘이 물리적 프로브의 필요성을 제거하여 임의의 많은 등변성 영역에 걸쳐 위상파면 보정이 가능해진다.
• 조절 가능한 레이저의 스캔-스톱 방식에서 연속 스캐닝으로 전환함으로써 3D 스캔에 필요한 총 측정 시간을 3분에서 5초로 단축시켰다.
• ‘확장된 부분 요인 분해’ 방법을 사용한 전체파수 수치 시뮬레이션을 통해 SMT의 성능과 안정성이 실제 산란 조건에서 검증되었다.
• 고분광 산란 행렬은 헤모글로빈 산소 포화도 분석과 1나노미터 이하의 변위 감지 등 추가적인 기능을 가능하게 한다.