[論文レビュー] Reflection-mode optical diffraction tomography for label-free imaging of thick biological specimens

Sungsam Kang, Renjie Zhou+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Optical Coherence Tomography Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、背景抑制に動的スパーキルフィールド干渉計を用い、標本に起因する偏向を補正する包括的な逆散乱モデルを組み合わせることで、厚い生物学的標本において横方向500 nm、軸方向1 μmの分解能を達成する、ラベルフリーな3次元イメージング技術「反射モード光回折断層画像法（rODT）」を提案する。この手法により、高分解能で定量的な屈折率マッピングが可能となり、濁ったサンプルの背後に位置する赤血球のイメージングや、不活化ラットの角膜膜のボリュメトリックイメージングが、ナノスケールの地形精度で実現された。

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.

研究の動機と目的

• 従来の透過モードODTが厚い散乱性生物学的標本をイメージングする際の限界を克服すること。
• 外部ラベルを用いずに、厚い組織における定量的・三次元的屈折率マッピングを可能にすること。
• 動的スパーキルフィールド干渉計による空間的・時間的ゲーティングを用いて、厚い標本における多重散乱背景を抑制すること。
• 逆散乱モデルにおいて標本に起因する偏向を補正することで、再構成精度を向上させること。
• 複雑な生物学的構造、例えば不活化ラットの角膜膜のようなものを、高分解能かつフルフィールドでイメージングすること。

提案手法

• 厚い標本からの信号収集を向上させるために、反射モード照明を採用し、光学的に濃いサンプルのイメージングを可能にした。
• 空間的・時間的ゲーティングを実現するため、動的スパーキルフィールド干渉計を適用し、多重散乱背景を効果的に排除した。
• 標本の屈折率分布と、その不均一構造に起因する偏向を両方とも考慮する包括的な逆散乱モデルを構築した。
• 3次元再構成のため、複数の照明方向から回折データを収集する多角度照明方式を採用した。
• 測定された強度パターンから複素場を再構成するための位相リトリーブアルゴリズムを実装した。
• 深さ方向に分解能を持つ屈折率再構成と、ナノメートルスケールでの生物学的膜の地形マッピングを統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反射モード光回折断層画像法は、従来の透過モードODTの限界を超えて、厚い生物学的標本の高分解能で定量的な3次元イメージングを可能にするか？
• RQ2 動的スパーキルフィールド干渉計は、光学的に厚く濁ったサンプルにおいて、多重散乱背景をどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ3 逆散乱モデルにおいて、標本に起因する偏向をどの程度補正できるか、屈折率再構成精度の向上にどの程度寄与するか？
• RQ4 rODTは、不活化ラットの眼におけるDua膜およびDescemet膜のようなナノスケールの地形的特徴を解像できるか？
• RQ5 2.8回の散乱平均自由行程の厚さを持つ濁った層の背後に位置する赤血球の膜の揺動を、rODTはどの程度の空間分解能と定量的精度でイメージングできるか？

主な発見

• rODTは、厚い生物学的標本において横方向500 nm、軸方向1 μmの分解能を達成し、細胞小器官の詳細な3次元イメージングを可能にした。
• 本手法は、2.8回の散乱平均自由行程の厚さを持つ濁ったサンプルの背後に位置する赤血球を効果的にイメージングし、膜の揺動を定量的に評価した。
• 不活化ラットの角膜におけるボリュメトリックイメージングが実現され、Dua膜およびDescemet膜のナノスケールの地形マッピングが達成された。
• 逆散乱モデルは、標本に起因する偏向を効果的に補正し、再構成の忠実度を顕著に向上させた。
• 動的スパーキルフィールド干渉計により、多重散乱背景の効果的な抑制が実現され、厚い標本における信号対雑音比が向上した。
• 高空間分解能で定量的屈折率マップが再構成され、ラベルフリーな生物学的組織の形態的・生体力学的解析が可能になった。