DAINA 2 /NCN

Tytuł projektu: Objętościowa rekonstrukcja obrazowa z filtracją nadmiarowej informacji fazowej

Kierownik projektu: prof. dr hab. Maciej Daniel Wojtkowski

Partner: State research institute Center for Physical Sciences and Technology, Litwa

Okres realizacji projektu: 2021 – 2025

Źródło finansowania: Narodowe Centrum Nauki

Numer projektu: 2020/38/L/ST2/00556

Charakterystyka projektu:

Celem niniejszego projektu jest wprowadzenie i eksperymentalna weryfikacja autorskiego oryginalnego opisu procesów fizycznych związanych z wpływem światła z częściową koherencją przestrzenną na rekonstrukcję obrazu w obecności niejednorodności optycznej. Proponowane prace badawcze pozwolą na lepsze zrozumienie fizycznych i technicznych ograniczeń dla w przypadku obrazowania światłem częściowo spójnym przestrzennie w układach fazoczułych (interferometrycznych lub holograficznych).

W tym fundamentalnym programie badawczym chcielibyśmy rozwiązać jeden z najbardziej podstawowych problemów optyki, jakim jest obrazowanie mikroskopowe in vivo w próbkach biologicznych.

Celem tego jest poszerzenie naszej wiedzy na temat procesu tworzenia obrazu w obecności silnie rozpraszających mediów.

Wiodącą hipotezą w tym projekcie jest założenie, że możliwe jest wprowadzenie przestrzennej modulacji fazy światła przestrzennie koherentnego w sposób kontrolowany tak, aby uzyskać nieinwazyjną rekonstrukcję trójwymiarowego obrazowania z jakością obrazów przekrojowych porównywalną z jakością uzyskiwaną w mikroskopii ze światłem przestrzennie niekoherentnym.

Opis:

W celu przyspieszenia obrazowania OCT, wprowadzono technikę OCT w dziedzinie Fouriera (FF-FD-OCT), która znacznie poprawiła szybkość obrazowania poprzez zrównoleglenie akwizycji sygnału za pomocą kamery zamiast detektora punktowego [1, 2]. Technika ta wprowadza jednak spójny szum w obrazach OCT ze względu na akwizycję szerokiego pola przez kamerę i wykorzystanie przestrzennie spójnego źródła laserowego. Szum ten, zwany przesłuchami, objawia się jako wzór plamek na obrazach i utrudnia ich interpretację, szczególnie w głębszych warstwach. Jedną z najbardziej obiecujących technik obrazowania wolumetrycznego, która może pozyskiwać obrazy pochodzące z różnych warstw obiektu (optyczny przekrój osiowy), jest tomografia optyczna OCT (Optical Coherence Imaging). OCT stała się niezbędnym narzędziem w obrazowaniu biomedycznym. Jednak OCT w swojej klasycznej formie z wiązką skanującą nie pozwala na pozbycie się szumu plamkowego, co z kolei uniemożliwia rekonstrukcję obrazu wybranej warstwy z jakością uzyskiwaną w klasycznej mikroskopii w rozdzielczości komórkowej (ryc. 1). Dodatkowo, szybkość obrazowania nadal pozostaje ograniczeniem OCT, ponieważ mimowolny ruch podczas obrazowania in vivo może rozmyć obrazy OCT w stopniu uniemożliwiającym ich wykorzystanie do celów diagnostycznych. Ponadto, szybkość może być zastąpiona lepszą głębią obrazowania, która jest kolejnym ważnym parametrem w obrazowaniu biomedycznym, takim jak obraz ludzkiego oka.

W poprzednich projektach zaproponowaliśmy i opracowaliśmy nową metodę, którą nazwaliśmy obrazowaniem przestrzenno-czasowej koherencji optycznej (ang. Spatio-Temporal Optical Coherence, STOC) [4]. Technika STOC pozwala uzyskać efekty obrazowania równoważne tym, które mogłyby kontrolować przestrzenną koherencję wiązki światła. Stworzyliśmy teoretyczny opis tego procesu. W oparciu o tę teorię zaproponowaliśmy optymalny i prosty sposób „filtrowania” rozproszonych fotonów i minimalizowania ich wpływu na obrazowanie [3]. Nowa wiedza pozwoliła nam opracować nową metodę opartą na pełnym OCT, zwaną obrazowaniem STOC-T, która pozwala na obrazowanie in vivo z dokładnością mikroskopową [4].

Rysunek 1. Schemat przedstawiający ideę poprawy jakości obrazowania mikroskopowego in vivo. OCT to metoda, która ma ogromny potencjał dostarczania unikalnych informacji obrazowych porównywalnych z klasyczną mikroskopią bez inwazyjnego przygotowywania próbek. Obecnie OCT nie jest w stanie zrekonstruować pojedynczych komórek. Obliczeniowe rekonstrukcje obiektów na podstawie pomiarów z wykorzystaniem nowo opracowanej modyfikacji metody OCT (STOC-T) pozwolą na uzyskanie jakości obrazu analogicznej do histologii. Takie ulepszenia wymagają wprowadzenia nowego, kompleksowego modelu matematycznego, nowych technik obliczeniowych i wydajnej technologii modulacji fazy przestrzennej.

Nadal jednak nie wiemy, czy rekonstrukcje obrazowania uzyskane metodą STOC-T mogą być porównywalne z histologią (obrazy mikroskopowe pobranych i wybarwionych wycinków tkanki) i jakie są fizyczne ograniczenia stosowalności tej techniki. Kluczowe jest tutaj zrozumienie wpływu wprowadzonej modulacji fazy przestrzennej na zakłócone sygnały interferometryczne przy obecnych ograniczeniach technicznych oraz tego, jak bardzo możemy poprawić te rekonstrukcje za pomocą zaawansowanych technik przetwarzania sygnału i obrazu. W związku z tym chcielibyśmy rozszerzyć nasz model STOC opisujący zakłócenia obrazów wprowadzane przez rozpraszanie o określoną konfigurację rekonstrukcji obrazu FD-FF-OCT i uwzględnić dodatkowe metody numeryczne umożliwiające poprawę jakości obrazu (rys. 1).

Referencje:

1.            T. Bonin, G. Franke, M. Hagen-Eggert, P. Koch, and G. Hüttmann, „In vivo Fourier-domain full-field OCT of the human retina with 1.5 million A-lines/s,” Optics Letters 35, 3432-3434 (2010).

2.            D. Hillmann, H. Spahr, C. Hain, H. Sudkamp, G. Franke, C. Pfaeffle, C. Winter, and G. Hüttmann, „Aberration-free volumetric high-speed imaging of in vivo retina,” Scientific Reports 6 (2016).

3.            D. Borycki, M. Hamkało, M. Nowakowski, M. Szkulmowski, and M. Wojtkowski, „Spatiotemporal optical coherence (STOC) manipulation suppresses coherent cross-talk in full-field swept-source optical coherence tomography,” Biomedical Optics Express 10, 2032-2054 (2019).

4.            M. Wojtkowski, P. Stremplewski, E. Auksorius, and D. Borycki, „Spatio-Temporal Optical Coherence Imaging – a new tool for in vivo microscopy,” Photonics Letters of Poland 11, 45-50 (2019).