[论文解读] Noninvasive linear fluorescence imaging through scattering media via wavefront shaping

Anat Daniel, Dan Oron+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Random lasers and scattering media参考文献 21被引用 7

一句话总结

本文提出了一种通过波前整形结合角度扫描与桶探测，利用目标物的荧光空间对比度，实现透过散射介质的非侵入性线性荧光成像方法。通过扫描入射光束角度并最大化桶探测器检测到的信号变化，该方法聚焦激发光，并通过扫描焦点在物体上实现图像重建，从而在无需侵入性校准或事先了解散射介质的情况下实现高分辨率成像。

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.

研究动机与目标

• 实现透过强散射生物组织的非侵入性、高分辨率荧光成像。
• 克服传统成像在浑浊介质中因光多次散射导致焦点畸变的局限性。
• 开发一种无需事先了解散射介质或侵入性校准程序的方法。
• 利用目标物体的内在空间荧光对比度作为波前整形的反馈信号。
• 仅使用单个桶探测器和角度扫描，证明该方法在散射介质中实现实际成像的可行性。

提出的方法

• 该方法使用空间光调制器（SLM）对入射激光束的波前进行整形。
• 系统性地扫描激光束入射角，使其作用于SLM，以探索不同的波前配置。
• 在散射介质前端设置桶探测器，记录总荧光信号，作为优化的反馈信号。
• 通过迭代调整波前，以最大化荧光信号变化，从而识别出能产生紧密聚焦激发光斑的配置。
• 一旦实现聚焦，通过在物体上逐点扫描聚焦光斑，实现完整图像的构建。
• 该方法依赖于目标物的天然空间荧光对比度，无需外源标记物或参考物体。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不事先了解介质特性的情况下，利用波前整形实现透过散射介质的非侵入性荧光成像？
• RQ2 目标物体的内在荧光对比度能否作为波前优化的可靠反馈信号？
• RQ3 仅使用单个桶探测器和角度扫描，是否能够实现高分辨率成像？
• RQ4 该方法在厚散射样品中聚焦效率和图像质量表现如何？
• RQ5 该方法在生物成像中应用的实际限制和需求是什么？

主要发现

• 该方法仅使用单个桶探测器和角度扫描，成功实现了透过散射介质的亚衍射极限聚焦激发光。
• 通过逐点扫描聚焦光斑在物体上的移动，实现了图像重建，从而在无需侵入性校准的情况下实现高分辨率荧光成像。
• 该技术利用了目标物的天然空间荧光对比度，无需外源标记物或参考物体。
• 该方法是非侵入性的，且无需了解散射介质的传输矩阵或事先表征。
• 该方法在厚散射样品中表现出鲁棒性，信噪比足以支持实际的生物成像应用。
• 结果表明，基于荧光信号变化的波前整形可有效用于高度散射环境中的成像。