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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Publication: OCT finally formulated

Even after more than 30 years from its first invention, optical coherence tomography (OCT) does not have accurate image formation theory, and it prevents deep understanding and further optimization of OCT. Our colleague and collaborator Naoki Fukutake developed an accurate and rigorous imaging theory for optical coherence tomography/microscopy (OCT/OCM) that operates without approximations. The theory employs a four-dimensional (4D) formulation to precisely examine OCT image formation characteristics.

The core concept defines 4D pupil functions in a 4D frequency space, with light frequency (reciprocal of wavelength) serving as the fourth dimension.  In the 4D frequency space, the instrumental function, which determines the resolution limit, is the 4D aperture. The theory reveals that OCT image formation is achieved through the integration of the object frequency captured by the 4D aperture over the depth-frequency axis. This formulation permits the simultaneous handling of aberration and dispersion and explains how high numerical aperture (NA) systems result in peculiar imaging characteristics, such as a skewed point spread function.

The details are published in Journal of Optical Society of America A.

Citation: Naoki Fukutake, Shuichi Makita, and Yoshiaki Yasuno, "Four-dimensional image formation theory of optical coherence tomography," J. Opt. Soc. Am. A 42, 773-779 (2025), https://doi.org/10.1364/JOSAA.557663.

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光コヒーレンストモグラフィー（OCT）は、その最初の登場から30年以上が経過した現在でも正確な像形成理論が確立されておらず、このことがOCTの深い理解とさらなる最適化を阻んでいます。私たちの共同研究者であり同僚でもある福武直樹氏は、OCT／OCT顕微鏡（OCT/OCM）のための正確かつ厳密なイメージング理論を開発しました。この理論は、OCTのイメージング特性を精密に表現するために4次元（4D）定式化を採用しています。

　この定式化の中心となる概念は、光周波数（波長の逆数）を4つめの次元として、4次元周波数空間における4次元瞳孔関数を定義することです。4次元周波数空間において、分解能限界を決定する関数である「装置関数」は4次元開口と呼ばれます。この理論は、OCTによるイメージングが「4次元開口によって捉えられた物体周波数を深度周波数軸上で積分することによって実現される」ことを明らかにしています。この定式化により、収差と分散を同時に取り扱うことができるようになり、高開口数 (高NA) なイメージングシステムがどのようにして歪んだ点像分布関数などの特殊な結像特性をもたらすかを説明します。

　この研究の詳細は米光学会のジャーナル「Journal of Optical Society of America A」において論文として公表されています。

Citation: Naoki Fukutake, Shuichi Makita, and Yoshiaki Yasuno, "Four-dimensional image formation theory of optical coherence tomography," J. Opt. Soc. Am. A 42, 773-779 (2025), https://doi.org/10.1364/JOSAA.557663.

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Publication: Dynamic OCT reveals the growing process of plants

Our colleague Yiheng Lim investigated the growing process of radish sprout using volumetric dynamic optical coherence tomography (D-OCT), which is our own developed non-invasive imaging technique. D-OCT works by acquiring sequential OCT images and analyzing the temporal variance of each pixel, called logarithmic intensity variance (LIV) that is one type of DOCT contrasts to visualize cellular and tissue activities.

The radish sprouts were longitudinally observed for up to 12 days. High LIV were observed in vessels and growing roots during the early stages. This suggests LIV is sensitive to water and nutrient transport and cellular activities associated with plant growth. In addition, LIV effectively visualized vascular development and maturation. Furthermore, fast-growing structures like newly emerged radicles, emerging lateral root tips,  and hypocotyls exhibited high LIV.

Our D-OCT will give deep insight into in-vivo plant development studies, and aid agricultural optimization.

The details of this study is reported in the Journal of Biophotonics.

Citation: Y. Lim, S. Kojima, P. Mukherjee, I. El-Sadek, S. Makita, and Y. Yasuno, “Developmental imaging of radish sprouts using dynamic optical coherence tomography,” J. Biophotonics e202400254 (2025), https://doi.org/10.1002/jbio.202400254

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私たちの研究室の Yiheng Lim さんが、ダイナミック光コヒーレンストモグラフィー（D-OCT）を使ったカイワレ大根の成長過程の研究に関して論文を発表しました。D-OCTは、連続的にOCT画像を取得し、そこから各ピクセルの時間的変化（対数強度分散（LIV）と呼ばれる）を解析することで細胞や組織の活動の活動性を可視化します。

発芽の様子は12日間連続して観察されました。初期段階では、維管束と成長中の根で高いLIVが観察されました。これは、LIVが水と栄養の輸送、そして植物の成長に関連する細胞活動を可視化していることを示唆しています。さらに、LIVは維管束の発達と成熟を効果的に可視化しました。さらに、新たに出現した幼根、出現した側根の先端、胚軸などの成長の速い構造も高いLIVによってハイライトされることがわかりました。

D-OCT は植物発育研究に深い洞察をもたらし農業の最適化に寄与すると考えられます。

Citation: Y. Lim, S. Kojima, P. Mukherjee, I. El-Sadek, S. Makita, and Y. Yasuno, “Developmental imaging of radish sprouts using dynamic optical coherence tomography,” J. Biophotonics e202400254 (2025), https://doi.org/10.1002/jbio.202400254

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