[논문 리뷰] Harnessing Forward Multiple Scattering for Optical Imaging Deep Inside an Opaque Medium

Ulysse Najar, Victor Barolle외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 10.

Optical Coherence Tomography Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 산산산란 매질 내에서 깊은 광학 영상 촬영을 위해 비침습적으로 시간 가속 전달 행렬을 추출하는 방법을 제시한다. 반사 행렬 R을 측정하기 위해 탈스캔(full-field) 광간섭도영역 촬영(FFOCT) 설정을 활용하며, R 내의 파동 왜곡을 다중 척도 분석하여 전방 다중 산산산란 성분을 추출한다. 이로 인해 인간의 투명하지 않은 각막에서 최신 기술보다 5배 더 깊은 영역까지의 3차원 공조 영상 촬영이 가능해진다.

ABSTRACT

As light travels through a disordered medium such as biological tissues, it undergoes multiple scattering events. This phenomenon is detrimental to in-depth optical microscopy, as it causes a drastic degradation of contrast, resolution and brightness of the resulting image beyond a few scattering mean free paths. However, the information about the inner reflectivity of the sample is not lost; only scrambled. To recover this information, a matrix approach of optical imaging can be fruitful. Here, we report on a de-scanned measurement of a high-dimension reflection matrix R via low coherence interferometry. Then, we show how a set of independent focusing laws can be extracted for each medium voxel through an iterative multi-scale analysis of wave distortions contained in R. It enables an optimal and local compensation of forward multiple scattering paths and provides a three-dimensional confocal image of the sample as the latter one had become digitally transparent. The proof-of-concept experiment is performed on a human opaque cornea and an extension of the penetration depth by a factor five is demonstrated compared to the state-of-the-art.

연구 동기 및 목표

• 생체 조직의 깊은 광학 영상 촬영에서 다중 산산산란의 근본적 한계를 극복하기 위해.
• 침습적 접근 없이 카메라 센서와 샘플 내부 볼륨 요소 간의 시간 가속 전달 행렬을 추출하기 위해.
• 생체 조직과 같은 투명하지 않은 산산산란 매질 내부에서 부피 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 비침습적 간섭 촬영 기반 접근을 통해 산산산란 평균 자유경로를 초월한 심도 향상을 입증하기 위해.
• 높은 산산산란성과 투명성이 없는 조직인 인간 각막에서의 검증을 통해 예상치 못한 깊이까지의 영상 촬영을 달성하기 위해.

제안 방법

• 라스터 스캔 없이 탈스캔 전장 광간섭도영역 촬영(FFOCT)을 활용해 반사 행렬 R을 측정하기 위해.
• 저해상도 간섭 촬영을 통해 고신호대비비율(SNR)을 확보하고 시간 가속 공조 신호 획득을 실현하기 위해.
• 탈스캔된 R-행렬에 푸리에 변환을 적용하여 집중점과 왜곡된 波면을 연결하는 왜곡 행렬 D를 추출하기 위해.
• D의 반복적 다중 척도 분석을 통해 전달 행렬 T의 전방 다중 산산산란 성분을 고립하고 추정하기 위해.
• 공간 상관 분석을 통해 산산산란과 수차 기여를 분리하여 전달 행렬 T를 재구성하기 위해.
• 회수된 T-행렬을 사용해 전방 다중 산산산란을 디지털로 보정함으로써 고해상도 3차원 공조 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 산산산란 매질에서 반사 행렬로부터 비침습적으로 시간 가속 전달 행렬을 회수할 수 있는가?
• RQ2 반사 행렬 내 파동면 왜곡의 다중 척도 분석이 고해상도로 전방 다중 산산산란 성분을 복원할 수 있는가?
• RQ3 회수된 전달 행렬이 고산산산란성 생체 조직 내에서 심도 향상된 3차원 공조 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ4 해당 방법의 성능이 해상도 및 심도 측면에서 기존 공조 영상 촬영 및 행렬 기반 영상 기술과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이 방법이 비호의적, 버킷 유사 보정이 아닌 일관된 물리적 보정을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 비침습적 탈스캔 FFOCT 측정을 통해 반사 행렬 R로부터 시간 가속 전달 행렬을 성공적으로 회수하였다.
• 왜곡 행렬 D의 다중 척도 분석을 통해 약 6 μm 해상도로 전방 다중 산산산란 성분의 공간 해상도 추정이 가능해졌다.
• 재구성된 전달 행렬을 통해 전방 다중 산산산란의 최적 보정이 가능해졌으며, 매질이 투명한 것처럼 샘플의 3차원 공조 영상이 생성되었다.
• 인간의 투명하지 않은 각막에서 최신 기술 대비 심도가 5배 향상되어 약 10개의 산산산란 평균 자유경로까지 도달하였다.
• 반사 행렬의 상관관계가 유지되어 보존된 것으로 보아, 이 방법은 기존 접근 방식의 비호의적 보정이 아닌 일관된 보정을 실현하였다.
• IPR(반복적 위상 회수) 방법은 배경이 최소화되고 빈티팅이 없는 근접 이상의 점확산함수를 생성하였으며, CLASS와 달리 강한 배경과 공간 비호의성을 보였다.