[논문 리뷰] Fourier synthesis optical diffraction tomography for kilohertz rate volumetric imaging

Peter Brown, Jabbarzadeh, Nikta외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 29.

Orbital Angular Momentum in OpticsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 3차원 굴절률 분포의 킬로헤르츠 레이트 볼륨 이미징을 실현하기 위해 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 파르티션 평면에 배치하여 수십 개의 조명 비탈각을 멀티plex링하는 새로운 방법인 푸리에 합성 광학 회절 단층촬영(FS-ODT)을 소개한다. 이 방법은 생물학적 샘플의 빠른 동역학, 예를 들어 마이크로스피어와 박테리아 수영자에 대한 고속 정량 위상 이미징을 가능하게 하며, 1미크론 이하 해상도와 1kHz를 초과하는 화면률을 달성한다.

ABSTRACT

Many biological and soft matter processes occur at high speeds in complex 3D environments, and developing imaging techniques capable of elucidating their dynamics is an outstanding experimental challenge. Here, we introduce Fourier Synthesis Optical Diffraction Tomography (FS-ODT), a novel approach for high-speed quantitative phase imaging capable of recording the 3D refractive index at kilohertz rates. FS-ODT introduces new pattern generation and inverse computational strategies that multiplex tens of illumination angles in a single tomogram, dramatically increasing the volumetric imaging rate. We validate FS-ODT performance by imaging samples of known composition and accurately recovering the refractive index for increasing pattern complexity. We further demonstrate the capabilities of FS-ODT for probing complex systems by studying the hindered diffusion of colloids in solution and the motility of single-cellular bacterial swimmers. We believe that FS-ODT is a promising approach for unlocking challenging imaging regimes in biophysics and soft matter that have been little explored, including understanding the physical interactions of colloids and microswimmers with their viscous 3D environment and the interplay between these stimuli and the molecular response of biological systems.

연구 동기 및 목표

• 기존 광학 회절 단층촬영(ODT)의 속도 제한을 극복하기 위해, 일반적으로 재구성에 100장 이상의 개별 이미지가 필요하여 화면률이 100Hz 미만으로 제한되는 문제를 해결한다.
• 특히 빠른 마이크로수영자와 일시적인 유속장과 관련된 동적 생물학적 과정의 고속 정량 볼륨 이미징을 가능하게 한다.
• 단일 DMD 패턴에 다수의 조명 각도와 위치를 멀티플렉싱하여 이미지당 정보량을 극대화하는 계산 및 광학 전략을 개발한다.
• 기존의 단일 촬영 및 멀티플렉스 ODT 기법을 뛰어넘어, 1킬로헤르츠 화면률에서 1미크론 이하 해상도와 정확한 굴절률 복원을 달성한다.

제안 방법

• FS-ODT는 목표 렌즈의 코herence 공액 피upil 평면에 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 배치하여 동시에 여러 기울인 평면파를 투사함으로써, 빔 각도와 위치의 멀티플렉싱을 실현한다.
• 이 방법은 다수의 조명 각도를 단일 DMD 패턴에 단위 위상 코딩 히스토그램을 사용하여 인코딩함으로써 정보량을 증가시키고 필요한 투영 수를 감소시키는 푸리에 합성 전략을 채택한다.
• 빛의 전파를 시뮬레이션하기 위해 빔 전파 방법(BPM) 또는 스플릿-스텝 비근사적(Non-Paraxial, SSNP) 근사 모델을 사용하며, 굴절률 분포를 변수로 포함하여 역문제를 풀 수 있도록 한다.
• 역문제는 기울기 기반 최적화 프레임워크를 통해 해결되며, 수반 방법(Adjoint method)을 사용해 데이터 불일치도의 기울기를 굴절률 분포에 대해 계산함으로써 빠르고 안정적인 재구성을 가능하게 한다.
• 시스템은 비편광 조명원을 사용하며, 그로 인한 강도 패tern을 기록하고, 이를 반복적 역모델링을 통해 3차원 굴절률을 재구성한다.
• 정확한 굴절률을 가진 캘리브레이션 샘플을 이용해 재구성된 값을 기준값과 비교함으로써 방법의 정확성을 검증하였으며, 높은 멀티플렉싱 조건에서도 높은 정확도를 입증하였다.

Figure 1: Fourier synthesis optical diffraction tomography . A . In FS-ODT, a spot-like pattern with a superimposed spatial carrier frequency is displayed on the DMD (lower left), which is conjugate to the back-focal plane of the objectives (purple line). The light which diffracts from the $-$ mirro

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 DMD 패턴에 수십 개의 조명 각도를 멀티플렉싱하는 것이 기존 10–100Hz 제한을 초월해 볼륨 화면률을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 푸리에 합성 전략이 ODT에서 이미지당 정보량을 얼마나 향상시켜, 킬로헤르츠 속도에서 고정밀 3차원 굴절률 재구성 가능하게 하는가?
• RQ3 고도로 멀티플렉싱된 조건에서도 FS-ODT는 알려진 샘플의 굴절률을 정확하게 복원할 수 있는가? 이는 방법의 정량적 정확성을 검증한다.
• RQ4 FS-ODT는 1밀리초 이하의 시간 해상도로 점성 환경에서의 3차원 마이크로스피어 확산 및 박테리아 수영의 빠른 3차원 동역학을 해상할 수 있는가?

주요 결과

• FS-ODT는 단일 DMD 패턴에 수십 개의 빔 각도를 멀티플렉싱함으로써 기존 ODT의 속도 저하 문제를 해결하고, 1kHz를 초과하는 볼륨 이미징 레이트를 달성한다.
• 캘리브레이션 샘플에서 3차원 굴절률 분포를 정확하게 재구성하였으며, 고도로 멀티플렉싱 조건에서도 알려진 조성물과 1–2% 이내의 오차로 재구성된 값을 확보하였다.
• 1kHz를 초과하는 화면률에서 1μm 마이크로스피어의 용액 내 확산 3차원 동역학을 성공적으로 해상하였으며, 높은 시간 및 공간 해상도를 입증하였다.
• 단세포 박테리아 수영자에 의해 생성된 3차원 유속장도 캡처하였으며, 이전에는 느린 영상 기법으로는 접근이 어려웠던 점성 환경 내 복잡한 유체역학적 상호작용을 드러내었다.
• DMD를 푸리에 평면에 위치시키고 위상 코딩 히스토그램을 사용함으로써, 동적 마스크가 필요 없으며, 임의의 산란 회절 주기를 유도하지 않고 고속 작동이 가능하다.
• 수반 방법과 기울기 최적화 기반의 역재구성 과정은 안정적이고 효율적으로 수렴하여, 동적 생물학적 시스템의 실시간 또는 근접 실시간 3차원 영상 촬영을 가능하게 하였다.

Figure 2: Multiplexed illumination with FS-ODT . A . Position multiplexing is achieved using five separate spot patterns (top left) with different carrier frequencies (inset, bottom left). When relayed to the objective back focal plane, the resulting beams have different incidence angles, and the le