干涉顯微細(xì)胞相位快速恢復(fù)方法及成像技術(shù)的研究.pdf

1、細(xì)胞是生命體結(jié)構(gòu)和功能活動的基本單位，其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部組成成分決定了它的健康狀態(tài)、功能和活動等等，這些都與生命科學(xué)中遺傳、疾病、免疫與康復(fù)等密切相關(guān)。細(xì)胞的研究，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為的分析有賴于顯微技術(shù)的水平。傳統(tǒng)的顯微鏡已無法滿足生命科學(xué)研究的要求，發(fā)展新的顯微成像方法與技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞原態(tài)、無損、超快、精密、動態(tài)的顯微成像是生命科學(xué)研究的迫切需求，也一直是研究員們長期追求的研究目標(biāo)。
　　定量相位顯微成像技術(shù)憑借免染

2、色、非侵入、無損傷、可定量化等優(yōu)勢，成為生物細(xì)胞顯微成像非常有利的工具。近十幾年來，研究員們相繼提出了許多先進(jìn)的定量相位成像技術(shù)，并成功用于細(xì)胞相位成像、類別識別、參數(shù)測量以及動力學(xué)行為分析等應(yīng)用領(lǐng)域。大部分定量相位成像技術(shù)都是基于光波干涉原理，通常包括干涉圖樣采集、相位信息恢復(fù)以及可能需要的相位解包這幾個(gè)過程，其中相位恢復(fù)技術(shù)主要決定著相位成像的質(zhì)量、速度和精確度，因此相位恢復(fù)方法及其成像技術(shù)的研究具有極其重要的意義。本課題組通過系統(tǒng)

3、查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)在相位恢復(fù)技術(shù)中尚有一些問題有待積極開展研究。諸如第一：在廣義相移干涉相位恢復(fù)中相移-奇點(diǎn)問題；第二：兼容提高恢復(fù)處理速度及探測器空間帶寬的問題；第三：在應(yīng)用方面上存在著較多的限制條件。對此，本文以國家級、省級等多個(gè)項(xiàng)目為支撐，主要圍繞相位恢復(fù)方法及其成像技術(shù)的不足和技術(shù)發(fā)展要求開展了系統(tǒng)性的基礎(chǔ)理論及其關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)的研究，并取得了預(yù)期效果，主要成果如下：
　?。?）系統(tǒng)分析了目前各類典型相位成像的技術(shù)特征及其技術(shù)

4、下的典型相位恢復(fù)方法特征，包括相移獲取方法。找出了兩步相移干涉中π相移奇點(diǎn)的成因，提出了在滿足物光波與參考光波強(qiáng)度相等的情況下，通過數(shù)值計(jì)算兩干涉圖樣的和與差可解決π相移奇點(diǎn)的方法，并給出了相位恢復(fù)的代數(shù)方法以及該方法的模擬驗(yàn)證。
　　（2）針對干涉顯微技術(shù)中一些傳統(tǒng)相位恢復(fù)方法存在限制條件多、相移檢測精度不夠高、相位恢復(fù)處理速度不夠快等問題，基于局部微分算子的靈敏特性和數(shù)值計(jì)算能力，分別提出了適用于所有載頻干涉和任意記錄模式下兩

5、步相移干涉的新型相位恢復(fù)方法，并且得到了仿真實(shí)驗(yàn)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，這些方法可有效地解決上述的問題。此外，還提出了利用相位梯度粗略估計(jì)細(xì)胞形態(tài)信息的方法，其中非均質(zhì)亞類白細(xì)胞的相位梯度結(jié)果表明了該方法的有效性，以及用于細(xì)胞類別識別的可行性。
　　（3）針對干涉顯微技術(shù)中噪聲的存在，結(jié)合三步相移干涉，提出了抗噪聲的矩陣二范數(shù)運(yùn)算相移確定方法。該方法易于執(zhí)行，對噪聲不敏感，只需計(jì)算每兩干涉圖樣強(qiáng)度差的二范數(shù)，無需計(jì)算其他物理量，降低了成

6、像要求。針對二范數(shù)相移獲取運(yùn)算需滿足條紋數(shù)目大于1的限制條件，提出了類一矩陣范數(shù)運(yùn)算的相移確定方法，以及利用相移差為π的兩干涉圖樣消除背景光強(qiáng)的方法。這些方法得到了仿真實(shí)驗(yàn)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，結(jié)果表明了他們的有效性以及精確性。
　　（4）通過對衍射相位場統(tǒng)計(jì)平均特性的分析，提出了在兩步或是更多步相移干涉下利用統(tǒng)計(jì)平均運(yùn)算和兩干涉光波之間空間頻率關(guān)系特征的相移拓展測量方法。該相移可以是完整周期(0,2π)內(nèi)除奇點(diǎn)π外的任何值，從而真正

7、實(shí)現(xiàn)了廣義相移干涉，降低了對相移器精度和成像條件的要求。均質(zhì)紅細(xì)胞的定量相位模擬結(jié)果和聚苯乙烯小球的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了該方法在理想以及噪聲環(huán)境下的高性能。
　?。?）基于本文在理論上的研究成果，依據(jù)所提及的相位恢復(fù)方法對成像實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要求，開展了關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。特別是提出了在單個(gè)探測器下利用兩個(gè)相同側(cè)向位移分束鏡和在兩個(gè)探測器下利用多個(gè)普通分束鏡分別來實(shí)現(xiàn)的瞬時(shí)兩步相移成像方法?？紤]到相位成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文提出了利用光柵衍射0