Single Exposure Quantitative Phase Imaging with a Conventional Microscope using Diffusion Models

要約

位相イメージングは​​、生物医学イメージングや材料特性評価などの分野での応用により重要性を増しています。
生物医学用途では、ラベルフリーの顕微鏡法では欠落している定量的な情報を提供できます。
位相定量化における最も著名な方法の 1 つは、強度輸送方程式 (TIE) です。
TIE では、異なる焦点ぼけ距離で複数の取得が必要になることがよくありますが、臨床現場では必ずしも実現可能であるとは限りません。
この問題に対処するために、色収差を使用して 1 回の露光で必要なスルー フォーカス画像を生成し、スルー フォーカス スタックを効果的に生成することを提案します。
収差によって引き起こされるデフォーカス距離は小さいため、従来の TIE ソルバーでは、結果として生じるアーティファクトに対処するには不十分です。
我々は、定量的画像予測用に設計された拡散モデルの修正バージョンであるゼロ平均拡散を提案し、それを合成データでトレーニングしてロバストな位相回復を保証します。
私たちの貢献は、色収差を活用する代替 TIE アプローチを提供し、白色光による正確な単一露光位相測定を実現し、位相イメージングの効率を向上させます。
さらに、定量的データに適しており、健全な理論的根拠を持つ新しいクラスの拡散モデルを提示します。
私たちのアプローチを検証するために、市販のカラーカメラを備えた広く普及している明視野顕微鏡を使用します。
私たちはモデルを患者の尿の臨床顕微鏡検査に適用し、正確な位相測定値を取得します。

要約(オリジナル)

Phase imaging is gaining importance due to its applications in fields like biomedical imaging and material characterization. In biomedical applications, it can provide quantitative information missing in label-free microscopy modalities. One of the most prominent methods in phase quantification is the Transport-of-Intensity Equation (TIE). TIE often requires multiple acquisitions at different defocus distances, which is not always feasible in a clinical setting. To address this issue, we propose to use chromatic aberrations to induce the required through-focus images with a single exposure, effectively generating a through-focus stack. Since the defocus distance induced by the aberrations is small, conventional TIE solvers are insufficient to address the resulting artifacts. We propose Zero-Mean Diffusion, a modified version of diffusion models designed for quantitative image prediction, and train it with synthetic data to ensure robust phase retrieval. Our contributions offer an alternative TIE approach that leverages chromatic aberrations, achieving accurate single-exposure phase measurement with white light and thus improving the efficiency of phase imaging. Moreover, we present a new class of diffusion models that are well-suited for quantitative data and have a sound theoretical basis. To validate our approach, we employ a widespread brightfield microscope equipped with a commercially available color camera. We apply our model to clinical microscopy of patients’ urine, obtaining accurate phase measurements.

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