Publication: Cellular-level imaging of living human eye by computational imaging

Our colleague Shuichi Makita recently established an accurate image formation theory of optical coherence tomography (OCT) with optical aberration model and its application to computational aberration correction. It enables high-resolution cellular level imaging of the human eye. Here Shuichi reformulated the OCT image formation theory to explicitly include optical aberrations. This theory serves as the foundation for developing a numerical simulator and designing improved computational methods for high-resolution imaging.

    Based on this theory, a new computational aberration correction filter was designed for volumetric correction in OCT, allowing for the simultaneous multi-depth correction of aberration. Numerical simulations demonstrated the proposed method's superiority over the conventional aberration correction methods, achieving Strehl ratios exceeding 0.8 over a ± 100 µm defocus range, a performance metric the conventional method could not reliably achieve. Application to in vivo human retinal imaging further confirmed the effectiveness.

    This theoretical model-based approach enabled high-resolution cellular level imaging of in vivo human eyes.

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

Citation: Shuichi Makita, Naoki Fukutake, Lida Zhu, and Yoshiaki Yasuno, "Image formation theory of optical coherence tomography with optical aberrations and its application to computational aberration correction," Biomed. Opt. Express 16, 4662-4688 (2025), https://doi.org/10.1364/BOE.569556 .

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私たちの研究室の巻田修一さんが厳密な光学収差モデルを用いた光コヒーレンストモグラフィー（OCT）の高精度な画像形成理論を確立し、そのコンピュテーショナル（計算的）収差補正（CAC）への応用に成功しました。これにより、ヒトの眼の細胞レベルの高解像度画像化が可能になります。この研究では、OCT画像形成理論を再構築し、光学収差を明示的に扱うことが可能になりました。この理論は、数値シミュレータの開発と高解像度画像化のための改良された計算手法の設計の基盤となっています。

　この理論に基づき、OCTにおける収差の影響（画像のボケ）を計測後に厳密に補正するための計算収差補正フィルタが設計され、複数の深度における収差の同時補正が可能になりました。数値シミュレーションにより、提案手法は従来の収差補正手法よりも優れていることが実証され、±100µmの焦点ずれ範囲において0.8を超えるストレール比（収差の少なさを評価する指標）を達成しました。これは、従来の手法では達成できなかった性能指標です。さらに、生体内ヒト網膜イメージングへの応用により、その有効性が確認されました。

　この新しい理論モデルに基づくアプローチにより、生体内のヒトの眼を細胞レベルで高解像度にイメージングすることが可能になりました。

　詳細はOptica（米光学会）の論文誌である Biomedical Optics Expressに掲載されています。

Citation: Shuichi Makita, Naoki Fukutake, Lida Zhu, and Yoshiaki Yasuno, "Image formation theory of optical coherence tomography with optical aberrations and its application to computational aberration correction," Biomed. Opt. Express 16, 4662-4688 (2025), https://doi.org/10.1364/BOE.569556 .

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Publication: AI + optical imaging reveals abnormality of retina

Our collaborator, Kosei Yanagida, recently reported on a novel deep-learning-based imaging method for assessing abnormalities of the human retina, specifically, retinal pigment epithelium (RPE) changes with age-related macular degeneration (AMD).

It has been reported that polarization-sensitive images, so-called the "degree-of-polarization uniformity (DOPU)," are useful to detect RPE abnormalities, which is an important diagnostic sign of AMD. However, complicated hardware, polarization-sensitive optical coherence tomography (PS-OCT), is necessary to obtain the DOPU image.

In the present study, Kosei used a new convolutional neural network (CNN)-based OCT, which was established by COG at the University of Tsukuba (our research group). This new imaging modality generates synthesized DOPU images from standard OCT images. Synthesized RPE-melanin thickness maps were then computed from the synthesized DOPU image. 

The area of thickened RPE-melanin, obtained from the synthesized DOPU, showed a significant positive correlation with the total PED volume. The findings confirm the clinical utility of this synthesized modality for quantifying RPE-melanin activity. This new modality will enhance the diagnostic and assessment ability of AMD in the clinic.

Citation: Kosei Yanagida, Masahiro Miura, Hidetaka Noma, Toshihiro Mino, Shinnosuke Azuma, Thitiya Seesan, Shuichi Makita, and Yoshiaki Yasuno, “Evaluation of retinal pigment epithelium changes in serous pigment epithelial detachment using synthesized multi-contrast polarization-sensitive optical coherence tomography," Sci. Rep. 15, 24304 (2025), https://doi.org/10.1038/s41598-025-09302-6

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私たちの共同研究者である柳田紘生講さんが、ヒト網膜の異常、特に加齢黄斑変性（AMD）に伴う網膜色素上皮（RPE）の変化を評価することのできるAIを用いた新たな眼底イメージング装置に関して論文を発表しました。

　「偏光均一性画像（DOPU）」は、AMDの重要な診断徴候であるRPE異常の検出に有用であることが報告されています。しかし、DOPU画像を取得するには、複雑なハードウェアである偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー（PS-OCT）が必要です。

　本研究では私たちの研究グループが開発した、新しい畳み込みニューラルネットワーク（CNN）ベースのOCTを使用しました。この新しい画像化手法は、標準的なOCT画像から合成DOPU画像を生成し、この合成DOPU画像から「RPE-メラニン厚マップ」が生成されます。このマップから得られたRPEメラニン肥厚面積は、PED総体積と有意な正の相関を持つことが示されました。この結果は、RPEメラニン活性の定量化におけるこの新しいイメージング技術の臨床的有用性を裏付けるものであり、この新しいイメージング技術は臨床におけるAMDの診断および評価能力を向上させると期待されます。

Citation: Kosei Yanagida, Masahiro Miura, Hidetaka Noma, Toshihiro Mino, Shinnosuke Azuma, Thitiya Seesan, Shuichi Makita, and Yoshiaki Yasuno, “Evaluation of retinal pigment epithelium changes in serous pigment epithelial detachment using synthesized multi-contrast polarization-sensitive optical coherence tomography," Sci. Rep. 15, 24304 (2025), https://doi.org/10.1038/s41598-025-09302-6

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Visti us at BioJapan 2023

BioJapan Exhibition で OCT顕微鏡の実機をごらんください。

OCT alliance として "Label-free tomographic microscope" の実機展示を行います。

今回の展示では実際に2台のOCT顕微鏡プロトタイプを用いて計測を体験することも可能です。また、規格製品、カスタム製品作成のご相談、
アカデミック共同研究のご相談もさせていただければと思います。

OCT alliance は Compuational Optics Group （筑波大学）、株式会社 スカイテクノロジー、シンクランド株式会社によるOCT顕微鏡技術・製品の研究開発アライアンスです。

商業製品に関するご相談はスカイテクノロジー社、シンクランド株式会社によるOCT顕微鏡技術・製品の研究開発アライアンスです。

展示情報

BioJapan 2023 （展示会公式 web-site）

• 展示期間 2023/10/11 (Wed) - 13 (Fri)
• Booth: C-64 

The OCT Alliance

We are OCT alliance made from
Computational optics group at the University of Tsukuba

Skytechnology Inc., and

Thinklands.

Click logos to visit us.

Update: 私たちの研究

私たちの行っている研究を解説したページ "Research"  に２つのセクションを加えました。

• Step 2. Our vision and project
• Step 3. Further reading

です。Step 2. では今まさに私達が取り組んでいる研究プロジェクトについて解説しています。また、Step 3. では、さらに私たちの研究分野について勉強したい方のために教科書、論文を紹介しています。

ぜひ一度のぞいてみてください。

安野嘉晃

筑波大学 学園祭「学生プレゼンバトル」に安野が参加します

　２０１７年１１月４日、筑波大学の学園祭（雙峰祭）の二日目に開催される「学生プレゼンバトル」企画で当研究のグループ・リーダーの安野が特別プレゼンテーションを行います。

学生プレゼンバトルとは、学群生や院生が自らの専攻している学問または研究の魅力を、 一般の聴衆に対してわかりやすく伝えるスキルを競う企画です。今回安野には、「そもそも研究活動ってどういうことなの？」という内容で、企画を主催する学生の方から依頼がありました。（ありがとうございます。）

ご興味のある方、学園祭にいらっしゃる予定の方、その他気になる方は、ぜひ、お越しください。

日時　：２０１７年１１月４日　
　　　　１４:３０～１７:３０（安野は１６：１５から特別プレゼンテーションを行います）
場所　： 大学会館３階ホール
テーマ：「社会の中の研究」
詳細は学生プレゼンバトルの web-site を御覧ください。

関連URL
雙峰祭 https://www.sohosai.tsukuba.ac.jp/（２０１７年１１月３日～５日）
学生プレゼンバトル2017 http://tgn.official.jp/gpb2017/

追記: プレゼンスライド
プレゼンで使用したスライド（PDF）を公開します。プレゼンを見られなかった方、プレゼンの最後にでた「宿題」について考えたい方。ぜひダウンロードしてみてください。
>> スライド （PDF）

李恩さんが学振特別研究員に採用されました!

当研究室の李恩さんが、学術振興会特別研究員に採用されることになりました。研究テーマは「ジョーンズ行列型光コヒーレンスエラストグラフィー法の確立と皮膚科学への応用」です。来年度からは、私たちの研究室でプロの研究員として働きながら、博士号取得を目指していくことになります。李さんの今後の活躍に、我々も期待しています！

Our colleague En Li was recently selected for a doctor-course research fellow of Japan Society for Promotion of Science (JSPS). Since upcoming April, She is going to be working for her doctorate as working a professional researcher. We are excited about working with her, and we believe she does an excellent job! Congratulation, Li!

Tapio Fabritius 先生 ショートセミナー

University of Oulu (Finlnad) の Tapio Fabritius 教授にショートセミナーをして頂きました。

Fabritus 氏は2007-2008年にかけ Oulu 大学 からの訪問研究者として筑波大学で光干渉断層計の研究をされていました。現在は Oulu大学で printing electronics （印刷型電子回路）とその光学評価など幅広く研究をされています。

今回のセミナーでは、印刷技術を用いた微小光学素子の作成、そこで用いられる粘弾性材料の光学評価手法、作成した微小阻止の形状計測手法についてレクチャーをおこなっていただきました。

Prof. Tapio Fabritus (University of Oulu, Finland) gave a short seminar talk at COG. Tapio has been working for an optical interferometer at our group in Tsukuba from 2007-2008. He is currently working for printing electronics and its optical evaluation in University of Oulu.

He gave a lecture on optical viscosity measurement, micro-optics fabrication, and its optical testing.


2019-09-19