[论文解读] Harnessing Forward Multiple Scattering for Optical Imaging Deep Inside an Opaque Medium

Ulysse Najar, Victor Barolle+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2023

Optical Coherence Tomography Applications被引用 4

一句话总结

本文提出一种非侵入性方法，通过利用去扫描全场光学相干断层扫描（FFOCT）装置测量反射矩阵 R，实现对多重散射介质中深层光学成像的时间门控传输矩阵的获取。通过对 R 中波前畸变进行多尺度迭代分析，提取前向多重散射分量，从而在人类不透明角膜中实现比现有最先进方法穿透深度提升五倍的三维共聚焦成像。

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.

研究动机与目标

• 克服生物组织深层光学成像中多重散射带来的根本性限制。
• 在无需侵入性操作的前提下，从相机传感器到样品体内体素之间非侵入性地获取时间门控传输矩阵。
• 实现在如生物组织等高度散射且不透明介质内部的体积分辨共聚焦成像。
• 通过非侵入性、干涉测量方法显著提升成像深度，超越散射平均自由程。
• 在人类角膜（一种高度散射且不透明的组织）上验证该方法，实现前所未有的穿透深度。

提出的方法

• 采用去扫描全场光学相干断层扫描（FFOCT）在不进行光栅扫描的情况下测量反射矩阵 R。
• 利用低相干干涉测量实现时间门控、类共聚焦信号采集，信噪比高。
• 对去扫描后的 R 矩阵进行傅里叶变换，提取连接聚焦点与畸变波前的畸变矩阵 D。
• 对 D 进行迭代多尺度分析，以分离并估计传输矩阵 T 的前向多重散射分量。
• 通过空间相关性分析分离散射与像差贡献，重构传输矩阵 T。
• 利用获取的 T 矩阵对前向多重散射进行数字补偿，实现高分辨率三维共聚焦成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在多重散射介质中，从反射矩阵非侵入性地获取时间门控传输矩阵？
• RQ2 对反射矩阵中波前畸变的多尺度分析，能否以高空间分辨率恢复前向多重散射分量？
• RQ3 所获取的传输矩阵是否能实现在高度散射生物组织中增强穿透深度的三维共聚焦成像？
• RQ4 与传统共聚焦成像及现有矩阵成像技术相比，该方法在分辨率和深度方面表现如何？
• RQ5 该方法是否实现了相干的、物理上的多重散射补偿，而非非相干的、桶状校正？

主要发现

• 该方法成功通过非侵入性去扫描 FFOCT 测量，从反射矩阵 R 中获取了时间门控传输矩阵。
• 对畸变矩阵 D 的多尺度分析实现了约 6 μm 分辨率的空间分辨前向多重散射分量估计。
• 重构的传输矩阵可实现对前向多重散射的最优补偿，生成的三维共聚焦图像效果如同介质完全透明一般。
• 在人类不透明角膜中，成像深度相比最先进方法提升五倍，达到约 10 个散射平均自由程。
• 该方法实现了相干的多重散射补偿，其证据为散射矩阵中保持了空间相关性，而传统方法则为非相干校正。
• IPR（迭代相位恢复）方法生成了近乎理想的点扩散函数，背景极小且无渐晕，而 CLASS 方法则表现出强烈的背景和空间非相干性。