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Optical diffraction tomography for high-accuracy label-free 3D bioimaging

用于高精度无标记 3D 生物成像的光学衍射断层扫描

基本信息

批准号：
22K04974
负责人：
吉田周平
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Kindai University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

光回折トモグラフィによる3次元屈折率分布の再構成は，散乱波から散乱ポテンシャルを求める逆散乱問題の一種である．逆散乱問題の解法には，散乱モデルに基づいた数値最適化の手法が必要であり，従来は取扱いが簡単な単散乱モデルが広く用いられてきた．しかしながら，単散乱モデルに基づいたアルゴリズムは厚みのある試料や高屈折率の試料には適用できず，光回折トモグラフィの応用展開への制約となっている．そこで本研究では，多重散乱モデルに基づいた再構成アルゴリズムを開発に取り組んだ．散乱波から散乱ポテンシャルを再構成するためには，散乱ポテンシャルから散乱波を求める順モデルと，散乱波とその推定結果から散乱ポテンシャルを求める逆モデルが必要である．本研究では順モデルとして，修正ボルン級数による多重散乱の計算アルゴリズムを実装した．修正ボルン級数ではダンピングファクターを導入することにより，ボルン級数（高次ボルン近似）で問題となる数値解の発散が抑えられる．逆モデルは数値解と観測結果の二乗誤差を最小化する最適化問題として定式化した．最適化問題の数値解法としては近接勾配法を採用し，3次元の全変動(TV)正則化を用いることで，ノイズへの過剰適合を防ぎつつ解像度の向上を図った．多重散乱モデルは高密度・高屈折率の試料に適用可能であることに加え，後方散乱の影響をモデルに取り込むことで分解能を向上させることができる．提案手法による屈折率分布の再構成結果を従来の単散乱モデルに基づく結果と比較すると，二乗平均平方根誤差において50％程度の改善が認められた．

The reconstruction of the three-dimensional refractive index distribution of scattered waves is a kind of inverse scattering problem. The solution of inverse scattering problem is to optimize the numerical value of scattering problem. For example, if a sample has a high refractive index, it may be used to expand the refractive index of the sample. In this study, we found that the multiple scattering patterns were reorganized into multiple groups. Scattered waves are reconstructed. Scattered waves are reconstructed. In this study, we propose to correct the order of the number of uncorrelated numbers and to calculate the number of uncorrelated numbers. The correction of the series is based on the numerical solution of the series (high order approximation). The optimization problem of minimizing the binary error of the inverse numerical solution and the measurement result is formulated. The optimization problem is solved numerically by using the closely-coupled method, and the three-dimensional full-motion (TV) regularization is used in the middle of the solution. Multiple scattered light sources are suitable for high density and high refractive index samples. The reconstruction results of refractive index distribution in the proposed method were compared with those in the original method, and the average square root error was improved by 50%.