Publication: New unified imaging theory describes anything

Our collaborator and colleague, Naoki Fukutake, developed a universal image formation theory encompassing the majority of optical microscopy techniques and also optical coherence tomography (OCT). This theory is, to the best of our knowledge, the first theory which can describe both coherence and incoherent and linear and nonlinear microscopy in a unified form. 

Since the classical theory is insufficient for modalities using higher-order light-matter interactions (like two-photon excited fluorescence or second hardmic generation), our theory employs general quantum physics principles, represents the light as quantum fields, and interactions of the light and the objects via double-sided Feynman diagrams. In addition, this theory defines the 4D aperture in the 4D frequency domain, which determines the spatial-temporal resolution and allows for comparisons across all microscopic imaging modalities.

This new imaging theory gives a deep understanding of each optical microscopic modalities and their interrelationship. And hence, it will help develop a novel cutting edge microscopy.

The details are published in Optics Express, a journal of Optica (the optical society of America).

Citation: Naoki Fukutake, Shuichi Makita, and Yoshiaki Yasuno, "Unified image formation theory for microscopy and optical coherence tomography in 4-D space-time," Opt. Express 33, 28947-28970 (2025), https://doi.org/10.1364/OE.560890

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私たちの共同研究者であり同僚でもある福武直樹さんがほとんどすべての光学顕微鏡手法と光コヒーレンストモグラフィー（OCT）を包含する統一的な光イメージング理論を開発しました。この理論は、私たちの知る限り、コヒーレンスとインコヒーレンス、線形と非線形の顕微鏡法の両方を統一的に記述できる初めての理論です。

二光子励起蛍光や第二高調波発生などの高次の光物質相互作用を用いる顕微鏡技術の記述には古典理論だけでは不十分でした。そのため、この理論では一般化された量子物理学の原理を用ることでイメージングの過程を量子場の相互作用としてとらえ、ダブルサイド・ファインマンダイアグラムを用いて表現しています。さらにこの理論では、4次元の周波数空間において4次元開口という概念を定義し、これによてあらゆる顕微鏡イメージング手法の理論的記述と比較を可能にしています。

この新しいイメージング理論は、様々な光学顕微鏡法とその相互関係を深く理解することを可能にし、ひいては、革新的な最先端顕微鏡法の開発に貢献するでしょう。

この理論の詳細は、Optica（米国光学会）の論文誌「Optics Express」に掲載されています。

Citation: Naoki Fukutake, Shuichi Makita, and Yoshiaki Yasuno, "Unified image formation theory for microscopy and optical coherence tomography in 4-D space-time," Opt. Express 33, 28947-28970 (2025), https://doi.org/10.1364/OE.560890

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Publication: Open-source Dynamic OCT simulator on Python

 Our colleague Yuanke Feng recently proposes a “comprehensive dynamic optical coherence tomography (DOCT) simulation framework” designed to clarify the elationship between DOCT signals and underlying intracellular/intratissue motion.

DOCT is an emerging imaging technology which non-invasively assesses the intratissue and intracellular activities. Although DOCT is a proven modality for label-free metabolic imaging, the relationship between the DOCT contrast and the biological activity is not well understood.

Yuanke’s simulation framework integrates detailed mathematical models covering seven activity types (e.g., active transport, blood flow) summarized by three mathematical motion models: random-ballistic motion, diffusion, and mono-directional translation. It also includes two OCT signal formation models and a physically accurate noise model. The simulator is also equipped with representative DOCT algorithms.

Numerical studies showcase the framework's utility by investigating how DOCT signals are influenced by motion parameters.

This framework will enable detailed understanding of DOCT signals, and hence will vastly enhance the translation of DOCT to medical, biological, pharmaceutical research.

The simulation framework is available as an open-source Python library, and its detailed theory and design are published in Biomedical Optics Express.

Citation: Y. Feng, S. Fujimura, Y. Lim, T. Seesan, R. Morishita, I.A. El-Sadek, P. Mukherjee, S. Makita, and Y. Yasuno, "Dynamic-OCT simulation framework based on mathematical models of intratissue dynamics, image formation, and measurement noise," Biomed. Opt. Express 16, 2875-2897 (2025), https://doi.org/10.1364/BOE.564025

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わたしたちの研究室のYuanke Fengさんが「ダイナミック・光コヒーレンストモグラフィー（DOCT）の包括的なシミュレーションフレームワーク」を発表しました。これは、DOCT信号とその背後にある細胞内／組織内運動との関係を明らかにすることを目的としています。

DOCTは、組織内および細胞内の活動を非侵襲的に評価する新興のイメージング技術です。DOCTはラベルフリーの代謝イメージングにおいて実績のある手法ですが、DOCTコントラストと生体の生物学的活動の関係は十分に解明されていません。

Feng さんのシミュレーションフレームワークは、7種類の生体内活動（能動輸送、血流など）を網羅する詳細な数学モデルと、ランダム弾道運動、拡散、単方向並進という3つの数学的運動モデルによって構成されています。また、2つのOCT信号形成モデルと物理的に正確なノイズモデルも含まれています。シミュレータには、代表的なDOCTアルゴリズムも搭載されています。また、論文では、数値解析により、DOCT信号が運動パラメータによってどのように影響を受けるかを調査することで、このフレームワークの有用性が実証されています。

このフレームワークはDOCT信号の詳細な理解を可能にし、DOCTの医学、生物学、製薬研究への応用を大幅に促進することが期待されています。

このシミュレーションフレームワークはオープンソースのPythonライブラリとして提供されており、詳細な理論と設計はBiomedical Optics Express誌に掲載されています。

Citation: Y. Feng, S. Fujimura, Y. Lim, T. Seesan, R. Morishita, I.A. El-Sadek, P. Mukherjee, S. Makita, and Y. Yasuno, "Dynamic-OCT simulation framework based on mathematical models of intratissue dynamics, image formation, and measurement noise," Biomed. Opt. Express 16, 2875-2897 (2025), https://doi.org/10.1364/BOE.564025

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