[논문 리뷰] Noninvasive linear fluorescence imaging through scattering media via wavefront shaping

Anat Daniel, Dan Oron외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 04.

Random lasers and scattering media참고 문헌 21인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 산란 매질을 통과하는 선형 형광 영상에 대해 파장형상 조절을 활용하여 비침습적인 방법을 제시한다. 이는 대상의 공간적 형광 대비를 이용한다. 입사 광선의 입사각을 스캔하고 버킷 검출기를 통해 감지된 신호 변화를 최대화함으로써, 허용되는 집중된 자극 빛을 얻고, 집중점을 물체를 스캔함으로써 영상을 재구성한다. 이로써 침습적인 校정 또는 산란 매질에 대한 사전 지식 없이도 고해상도 영상 촬영이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 산란성을 띤 생체 조직을 통과한 비침습적 고해상도 형광 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 빛이 다중 산란되며 초점이 왜곡되는 투명도가 낮은 매질에서 전통적인 영상 촬영의 한계를 극복하기 위해.
• 산란 매질에 대한 사전 지식이나 침습적인 校정 절차가 필요 없는 방법을 개발하기 위해.
• 웨이브프론트 샤피닝을 위한 피드백 신호로 대상 물체의 내재된 공간적 형광 대비를 활용하기 위해.
• 단일 버킷 검출기와 각도 스캔을 사용하여 산란 매질을 통한 실용적 영상 촬영을 보여주기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 입사 레이저 빛의 웨이브프론트를 조절하기 위해 공간적 빛 조절 장치(SLM)를 사용한다.
• 레이저 빛의 입사각을 SLM에 대해 체계적으로 스캔하여 다양한 웨이브프론트 구성 조합을 탐색한다.
• 산란 매질의 앞편에 위치한 버킷 검출기가 총 형광 신호를 기록하며, 이는 최적화를 위한 피드백으로 사용된다.
• 웨이브프론트는 반복적으로 조정되어 형광 신호 변화를 최대화함으로써, 날카로운 집중된 자극점이 생성되는 구성 조합을 식별한다.
• 집중이 완료된 후, 자극점이 물체를 점진적으로 스캔함으로써 포인트 바이 포인트 스캔을 통해 전체 영상을 구축한다.
• 이 접근법은 대상의 자연스러운 공간적 형광 대비를 이용하여 외부 마커나 기준 물체가 필요 없도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산란 매질을 통과하는 비침습적 형광 영상 촬영에 웨이브프론트 샤피닝을 적용할 수 있는가? 이때 산란 매질에 대한 사전 지식이 필요하지 않은가?
• RQ2 대상 물체의 내재된 형광 대비가 웨이브프론트 최적화를 위한 신뢰할 수 있는 피드백 신호로 기능할 수 있는가?
• RQ3 단일 버킷 검출기와 각도 스캔만으로 고해상도 영상 촬영이 가능한가?
• RQ4 두꺼운 산란 샘플을 통과할 경우 이 방법의 집중 효율성과 영상 품질은 어떻게 평가되는가?
• RQ5 이 방법을 생물학적 영상 촬영에 적용할 때 실용적인 제약 조건과 요구 사항은 무엇인가?

주요 결과

• 이 방법은 단일 버킷 검출기와 각도 스캔만을 사용하여 산란 매질을 통과하는 자극 빛의 초분광 집중을 성공적으로 달성한다.
• 집중된 초점이 물체를 스캔함으로써 영상 재구성이 이루어지며, 침습적인 校정 없이 고해상도 형광 영상 촬영이 가능하다.
• 이 기술은 대상의 자연스러운 공간적 형광 대비를 활용하여 외부 마커나 기준 물체가 필요 없도록 한다.
• 이 방법은 비침습적이며 산란 매질의 전송 매트릭스나 사전 특성 분석이 필요하지 않다.
• 이 방법은 두꺼운 산란 샘플을 통한 영상 촬영에서 뛰어난 안정성을 보이며, 실용적인 생물학적 영상 응용에 충분한 신호 대 잡음 비율을 확보한다.
• 결과적으로 형광 신호 변화를 기반으로 한 웨이브프론트 샤피닝이 고산란 환경에서 효과적으로 영상 촬영에 활용될 수 있음을 보여준다.