[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出反射模式光学衍射断层扫描（rODT），一种无标记的3D成像技术，通过结合动态散斑场干涉技术实现背景抑制，以及全面的逆散射模型以校正样品引起的像差，实现了在厚生物样品中500 nm横向和1 μm轴向分辨率。该方法可实现高分辨率、定量的折射率映射，已在成像浑浊样品后方的红细胞以及离体大鼠眼中角膜膜的体积成像中得到验证，具有纳米级形貌精度。

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.

研究动机与目标

• 克服传统光学衍射断层扫描在成像厚而散射的生物样品时的局限性。
• 在无需外源标记的情况下，实现在厚组织中的定量、三维折射率映射。
• 通过动态散斑场干涉技术实现时空门控，有效抑制厚样品中的多重散射背景。
• 在逆散射模型中校正样品引起的像差，以提高重建精度。
• 实现对复杂生物结构（如离体大鼠眼中角膜膜）的高分辨率、全视野成像。

提出的方法

• 采用反射模式照明以增强对厚样品的信号收集，实现对光学致密样品的成像。
• 应用动态散斑场干涉技术实现时空门控，有效排除多重散射背景。
• 开发了全面的逆散射模型，同时考虑样品的折射率分布及其非均质结构引起的像差。
• 采用多角度照明方案，从多个照明方向采集衍射数据以实现3D重建。
• 实施相位恢复算法，从测量的强度图案中重建复振幅场。
• 将深度分辨的折射率重建与生物膜的纳米尺度形貌映射相结合。

实验结果

研究问题

• RQ1 反射模式光学衍射断层扫描是否能够突破传统透射模式ODT的限制，实现对厚生物样品的高分辨率、定量3D成像？
• RQ2 动态散斑场干涉技术在光学厚、浑浊样品中对多重散射背景的抑制效果如何？
• RQ3 在逆散射模型中，样品引起的像差能在多大程度上被校正，从而提升折射率重建的准确性？
• RQ4 rODT能否分辨离体大鼠眼中角膜膜（如Dua膜和Descemet膜）的纳米级形貌特征？
• RQ5 在成像红细胞膜在2.8个散射平均自由程厚的浑浊层后的波动时，rODT可实现的空间分辨率和定量精度如何？

主要发现

• rODT在厚生物样品中实现了500 nm横向和1 μm轴向分辨率，实现了亚细胞结构的详细3D成像。
• 该方法成功成像了红细胞，并量化了其在2.8个散射平均自由程厚的浑浊样品后的膜波动。
• 实现了离体大鼠眼中角膜的体积成像，Dua膜和Descemet膜的形貌实现了纳米尺度映射。
• 逆散射模型有效补偿了样品引起的像差，显著提升了重建保真度。
• 动态散斑场干涉技术有效抑制了多重散射背景，提高了厚样品中的信噪比。
• 以高空间分辨率重建了定量折射率图，实现了无需标记的生物组织形态学与生物力学分析。