[논문 리뷰] Reflection-mode optical diffraction tomography for label-free imaging of thick biological specimens

Sungsam Kang, Renjie Zhou외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 28.

Optical Coherence Tomography Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 반사 모드 광학 회절 단층촬영(rODT)을 소개한다. 이는 배경 억제를 위한 동적 스펙클 필드 간섭계와 샘플에 의한 위상 오차를 보정하는 종합적인 역산산산 모델을 결합함으로써 두꺼운 생물학적 샘플에서 횡방향 500 nm, 축방향 1 μm 해상도를 달성하는 레이블 프리 3차원 영상 기술이다. 이 방법은 고해상도의 정량적 굴절률 매핑을 가능하게 하며, 흐린 샘플 뒤의 적혈구 영상 및 고체 빈도에서의 코르니아 막의 부피 영상 분석을 통해 나노스케일의 표면형상 정밀도로 구현되었다.

ABSTRACT

Optical diffraction tomography (ODT) has emerged as a powerful label-free three-dimensional (3D) bioimaging techniques for observing living cells and thin tissue layers. We report a new reflection-mode ODT (rODT) method for imaging thick biological specimens with 500 nm lateral resolution and 1 μm axial resolution. In rODT, multiple scattering background is rejected through spatio-temporal gating provided by dynamic speckle-field interferometry, while depth-resolved refractive index maps are reconstructed by developing a comprehensive inverse scattering model that also considers specimen-induced aberration. Benefiting from the high-resolution and full-field quantitative imaging capabilities of rODT, we succeeded in imaging red blood cells and quantifying their membrane fluctuations behind a turbid sample with a thickness of 2.8 scattering mean-free-paths. We further realized volumetric imaging of cornea inside an ex vivo rat eye and quantified its optical properties, including mapping the topography of Dua's and Descemet's membrane surfaces on the nanometer scale.

연구 동기 및 목표

• 기존의 투과 모드 광학 회절 단층촬영 기술이 두꺼운 산란 성질을 띤 생물학적 샘플을 영상화하는 데 한계를 가진다는 점을 극복하기 위해.
• 외부 레이블 없이 두꺼운 조직에서 정량적 3차원 굴절률 매핑을 가능하게 하기 위해.
• 동적 스펙클 필드 간섭계를 통한 시공간 게이팅을 활용해 두꺼운 샘플에서의 다중 산란 배경을 억제하기 위해.
• 역산산산 모델에서 샘플에 의해 유도된 위상 오차를 보정함으로써 재구성 정확도를 향상시키기 위해.
• 복잡한 생물학적 구조, 예를 들어 고체 빈도에서의 코르니아 막과 같은 것들을 전체 영역에서 고해상도로 영상화하기 위해.

제안 방법

• 두꺼운 샘플에서의 신호 수확을 향상시켜 광학적으로 밀도가 높은 샘플의 영상이 가능하도록 반사 모드 조명을 적용함.
• 시공간 게이팅을 실현하기 위해 동적 스펙클 필드 간섭계를 적용하여 다중 산란 배경을 효과적으로 제거함.
• 샘플의 굴절률 분포뿐 아니라 샘플의 비균일한 구조에 의해 유도된 위상 오차까지 고려하는 종합적인 역산산산 모델을 개발함.
• 3차원 재구성을 위해 다수의 조명 방향에서 산란 데이터를 수집하기 위해 다각도 조명 방식을 사용함.
• 측정된 강도 패tern으로부터 복소장(field)을 재구성하기 위해 단계 복원 알고리즘을 구현함.
• 나노미터 스케일에서 생물막의 표면형상 매핑과 깊이 해상도를 갖춘 굴절률 재구성 기능을 통합함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반사 모드 광학 회절 단층촬영은 기존의 투과 모드 ODT의 한계를 뛰어나, 두꺼운 생물학적 샘플에 대해 고해상도의 정량적 3차원 영상화를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 동적 스펙클 필드 간섭계는 광학적으로 두꺼운, 흐린 샘플에서 다중 산란 배경을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 역산산산 모델에서 샘플에 의한 위상 오차를 얼마나 잘 보정할 수 있는가? 이는 굴절률 재구성 정확도 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 rODT는 고체 빈도에서의 코르니아 막, 예를 들어 Dua의 막과 Descemet의 막의 나노스케일 표면형상 특징을 해상할 수 있는가?
• RQ5 2.8개의 산란 평균 자유경로 두께를 가진 흐린 층 뒤의 적혈구 막 진동을 영상화할 때 rODT의 실현 가능한 공간 해상도와 정량적 정확도는 어느 정도인가?

주요 결과

• rODT는 두꺼운 생물학적 샘플에서 횡방향 500 nm, 축방향 1 μm 해상도를 달성하여 세포소기관의 세밀한 3차원 영상 분석이 가능했다.
• 이 방법은 흐린 샘플을 통과한 적혈구를 영상화하고 그 막의 진동을 정량적으로 분석하는 데 성공했다.
• 고체 빈도에서의 망막 영상 분석을 통해 Dua의 막과 Descemet의 막의 나노미터 수준의 표면형상 매핑이 가능했다.
• 역산산산 모델은 샘플에 의한 위상 오차를 효과적으로 보정하여 재구성의 정밀도를 크게 향상시켰다.
• 동적 스펙클 필드 간섭계는 다중 산란 배경을 효과적으로 억제하여 두꺼운 샘플에서 신호 대 잡음비를 향상시켰다.
• 고공간 해상도의 정량적 굴절률 매핑을 재구성하여 레이블 없이 생물 조직의 형태학적 및 생체역학적 분석이 가능했다.