无透镜显微成像及细胞检测关键技术研究
发布时间：2021-04-06 19:28
无透镜显微成像技术是近十年发展起来的新兴显微技术,因其省去透镜仅使用图像传感器,具有体积小、系统可集成性强的突出特点,为便携式细胞显微和检测仪器的开发提供了较好方案,具有广阔的应用前景。但是,无透镜显微成像技术也存在衍射、低分辨率等问题,采集的图像难以直接应用于细胞检测。因此,提高系统成像质量并对图像信息进行实时处理是满足即时检测需求的便携式细胞检测仪亟待解决的问题。围绕以上关键问题,本文主要开展了以下4个方面的研究:1、为了提升无透镜显微的成像质量,首先建立光路模型,研究了无透镜成像系统的成像机理,明确了接触成像和同轴全息显微成像的条件。进一步分析了无透镜同轴全息显微的成像记录过程,分析无透镜同轴全息系统主要设计参数选择。提出了一种基于相位初值约束的迭代同轴全息再现算法,使孪生像抑制算法的运算速度和鲁棒性有了明显提升;2、为了提高无透镜显微图像的空间分辨率,研究了无透镜同轴全息显微系统中提升活细胞图像分辨率的方法。利用数字图像中的超分辨率重建技术,针对活细胞提出了基于布朗运动的提高图像空间分辨率方法。最终,通过实验验证该方法能够在不增加系统体积的情况下实现8倍超分辨率,解决了原始图像...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
SROFM结构[24]
1绪论2010年开始，美国加州大学的AydoganOzcan研究团队对使用全息技术的无透镜显微镜进行了研究[25-41]。该技术通过CMOS图像传感器记录通过样品的相干光线强度，再利用全息再现技术重建物象波前，得到物面上聚焦的无衍射细胞样品图像。该技术通过移动光源或多光源实现多帧具有亚像素位移全息图的获取，利用多帧超分辨率算法(SuperResolution,SR)算法对LR图像进行重建，得到高分辨率的细胞显微图像。这种技术的主要优点在于，在获得远大于光学显微镜的感兴趣区域的同时，提供类似高倍显微镜的显微图像[42]，其装置原理如图1-2所示。图1-2无透镜同轴全息片上显微镜[37]Fig.1-2Lens-lesson-chipin-lineholographymicroscopy2012年至2014年，韩国高丽大学的SungkyuSeo将无透镜同轴全息显微成像系统采集的衍射图像直接用于细胞检测分析[43-46]。通过无透镜同轴显微系统得到不同大小的细胞全息图像，取其中心一行或一列灰度值加以分析，中心最大灰度值，中心最大宽度，中心最小宽度以及中心峰值都有所不同，通过这几个参数的判断细胞的大小进而对细胞分类。这种处理的好处在于，不需要得到细胞聚焦的非衍射图像，直接可以进行相对简单的特征提取，省去了衍射图像计算的算法消耗。2014年，英国埃克塞特大学的LynseyA.Penwill等人对无透镜显微成像系统取得的全息图像也进行了相似研究研究[47]。2015年，新加坡科技设计大学的HuangXiwei将无透镜系统用于细胞计数，和Coulter计数器相结合，采用差分电阻脉冲感测激活图像传感器按需对单细胞进行成像。使用不同大小的微球、红细胞和肿瘤HepG2系细胞进行实验，能够实现按需激活，避免无用图像采集[48]。2015年，重庆大学的张德燕利用无透镜同轴全息技术完成了生物组织的显微成像[49]。主要应用无透镜同
?⒃傧旨际踔亟ㄑ?菲矫娴耐枷瘢?玫嚼嗨乒饩档那逦?劢雇枷瘛?其中，同轴指的是参考光和物光的入射夹角基本为零。根据全息记录时参考光和物光的入射角度差异，可以将全息记录分为同轴和离轴两种记录方式。无透镜显微成像系统的结构注定了无法实现离轴全息记录，同轴全息成为唯一选择。在无透镜同轴全息成像系统中，细胞不需要紧贴图像传感器表面，加工难度小，成本低，性价比高，其应用前景要比无透镜接触式成像系统范围广。因此，本文以无透镜同轴全息显微成像方案为主进行研究，上述全息光路及再现技术将在第2章详细讨论。图1-3展示了细胞在光镜下和两种无透镜显微成像系统下的成像效果仿真。(a)光镜下成像效果(b)无透镜接触式成像效果(c)无透镜同轴全息成像效果图1-3光镜和两种无透镜成像效果对比Fig.1-3Thecontrastoftwolens-lessandlightmicroscope图1-3展示了不同成像原始图的效果，利用光镜下效果仿真了两种无透镜系统下的成效效果。为了考察衍射影响，忽略了分辨率的影响。无透镜显微成像系统和有透镜成像系统相比有一定的局限性，无透镜显微成像系统只能透射成像，而无法反射成像。因此，无透镜显微成像的目标必须是半透明微小物体，如物体是不透明的则只能得到物体的形状投5
【参考文献】：
期刊论文
[1]田鼠巴贝虫感染BALB/c小鼠血细胞动态变化[J]. 蔡玉春,陈韶红,杨春利,赵枝新,李浩,卢艳,艾琳,储言红,沈慧敏,陈家旭. 中国血吸虫病防治杂志. 2018(03)
[2]无透镜微流控成像流动细胞检测与计数系统[J]. 黄汐威,程涛,丁诚翔,王翔,高海军,苏江涛. 传感器与微系统. 2017(05)
[3]细胞计数板在荧光显微镜观察B细胞吞噬现象的应用探讨[J]. 吴梦丽,周林甫,石晓丹,刘学武,史明,冯国栋,赵钢. 现代生物医学进展. 2017(11)
[4]无透镜数字全息显微成像技术与应用[J]. 盛海见,吴育民,文永富,李根,程灏波. 影像科学与光化学. 2017(02)
[5]图像超分辨率复原方法及应用[J]. 陈健,高慧斌,王伟国,毕寻. 激光与光电子学进展. 2015(02)
[6]一种基于GS相位恢复算法的全息多平面显示的改进算法（英文）[J]. 李芳,毕勇,孔新新,王皓,孙敏远,李拓. 中国激光. 2013(10)
[7]几种典型血细胞的光学相位模型及其分布特征与识别方法[J]. 王亚伟,雷海娜,卜敏,韩广才. 中国激光. 2009(10)
[8]用于细胞成像的便携型微流控芯片检测系统[J]. 周亚浩,李雷,叶大田. 清华大学学报(自然科学版). 2009(09)
[9]小型微流控芯片流式细胞仪的研制[J]. 叶晓兰,杜文斌,古淑青,潘建章,牟颖,方群. 分析化学. 2008(10)
[10]逐步判别分析在疟原虫血涂片细胞分类中的应用[J]. 丁岩,柴振明,陈传涓. 生物化学与生物物理进展. 1990(02)
博士论文
[1]图像超分辨率重建关键技术研究[D]. 翟海天.西北工业大学 2016
硕士论文
[1]小型化流式细胞仪的研制[D]. 李罕阳.浙江大学 2017
[2]基于ARM的无透镜细胞显微图像采集处理系统[D]. 张德燕.重庆大学 2015
本文编号：3121998
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
SROFM结构[24]
1绪论2010年开始，美国加州大学的AydoganOzcan研究团队对使用全息技术的无透镜显微镜进行了研究[25-41]。该技术通过CMOS图像传感器记录通过样品的相干光线强度，再利用全息再现技术重建物象波前，得到物面上聚焦的无衍射细胞样品图像。该技术通过移动光源或多光源实现多帧具有亚像素位移全息图的获取，利用多帧超分辨率算法(SuperResolution,SR)算法对LR图像进行重建，得到高分辨率的细胞显微图像。这种技术的主要优点在于，在获得远大于光学显微镜的感兴趣区域的同时，提供类似高倍显微镜的显微图像[42]，其装置原理如图1-2所示。图1-2无透镜同轴全息片上显微镜[37]Fig.1-2Lens-lesson-chipin-lineholographymicroscopy2012年至2014年，韩国高丽大学的SungkyuSeo将无透镜同轴全息显微成像系统采集的衍射图像直接用于细胞检测分析[43-46]。通过无透镜同轴显微系统得到不同大小的细胞全息图像，取其中心一行或一列灰度值加以分析，中心最大灰度值，中心最大宽度，中心最小宽度以及中心峰值都有所不同，通过这几个参数的判断细胞的大小进而对细胞分类。这种处理的好处在于，不需要得到细胞聚焦的非衍射图像，直接可以进行相对简单的特征提取，省去了衍射图像计算的算法消耗。2014年，英国埃克塞特大学的LynseyA.Penwill等人对无透镜显微成像系统取得的全息图像也进行了相似研究研究[47]。2015年，新加坡科技设计大学的HuangXiwei将无透镜系统用于细胞计数，和Coulter计数器相结合，采用差分电阻脉冲感测激活图像传感器按需对单细胞进行成像。使用不同大小的微球、红细胞和肿瘤HepG2系细胞进行实验，能够实现按需激活，避免无用图像采集[48]。2015年，重庆大学的张德燕利用无透镜同轴全息技术完成了生物组织的显微成像[49]。主要应用无透镜同
?⒃傧旨际踔亟ㄑ?菲矫娴耐枷瘢?玫嚼嗨乒饩档那逦?劢雇枷瘛?其中，同轴指的是参考光和物光的入射夹角基本为零。根据全息记录时参考光和物光的入射角度差异，可以将全息记录分为同轴和离轴两种记录方式。无透镜显微成像系统的结构注定了无法实现离轴全息记录，同轴全息成为唯一选择。在无透镜同轴全息成像系统中，细胞不需要紧贴图像传感器表面，加工难度小，成本低，性价比高，其应用前景要比无透镜接触式成像系统范围广。因此，本文以无透镜同轴全息显微成像方案为主进行研究，上述全息光路及再现技术将在第2章详细讨论。图1-3展示了细胞在光镜下和两种无透镜显微成像系统下的成像效果仿真。(a)光镜下成像效果(b)无透镜接触式成像效果(c)无透镜同轴全息成像效果图1-3光镜和两种无透镜成像效果对比Fig.1-3Thecontrastoftwolens-lessandlightmicroscope图1-3展示了不同成像原始图的效果，利用光镜下效果仿真了两种无透镜系统下的成效效果。为了考察衍射影响，忽略了分辨率的影响。无透镜显微成像系统和有透镜成像系统相比有一定的局限性，无透镜显微成像系统只能透射成像，而无法反射成像。因此，无透镜显微成像的目标必须是半透明微小物体，如物体是不透明的则只能得到物体的形状投5
【参考文献】：
期刊论文
[1]田鼠巴贝虫感染BALB/c小鼠血细胞动态变化[J]. 蔡玉春,陈韶红,杨春利,赵枝新,李浩,卢艳,艾琳,储言红,沈慧敏,陈家旭. 中国血吸虫病防治杂志. 2018(03)
[2]无透镜微流控成像流动细胞检测与计数系统[J]. 黄汐威,程涛,丁诚翔,王翔,高海军,苏江涛. 传感器与微系统. 2017(05)
[3]细胞计数板在荧光显微镜观察B细胞吞噬现象的应用探讨[J]. 吴梦丽,周林甫,石晓丹,刘学武,史明,冯国栋,赵钢. 现代生物医学进展. 2017(11)
[4]无透镜数字全息显微成像技术与应用[J]. 盛海见,吴育民,文永富,李根,程灏波. 影像科学与光化学. 2017(02)
[5]图像超分辨率复原方法及应用[J]. 陈健,高慧斌,王伟国,毕寻. 激光与光电子学进展. 2015(02)
[6]一种基于GS相位恢复算法的全息多平面显示的改进算法（英文）[J]. 李芳,毕勇,孔新新,王皓,孙敏远,李拓. 中国激光. 2013(10)
[7]几种典型血细胞的光学相位模型及其分布特征与识别方法[J]. 王亚伟,雷海娜,卜敏,韩广才. 中国激光. 2009(10)
[8]用于细胞成像的便携型微流控芯片检测系统[J]. 周亚浩,李雷,叶大田. 清华大学学报(自然科学版). 2009(09)
[9]小型微流控芯片流式细胞仪的研制[J]. 叶晓兰,杜文斌,古淑青,潘建章,牟颖,方群. 分析化学. 2008(10)
[10]逐步判别分析在疟原虫血涂片细胞分类中的应用[J]. 丁岩,柴振明,陈传涓. 生物化学与生物物理进展. 1990(02)
博士论文
[1]图像超分辨率重建关键技术研究[D]. 翟海天.西北工业大学 2016
硕士论文
[1]小型化流式细胞仪的研制[D]. 李罕阳.浙江大学 2017
[2]基于ARM的无透镜细胞显微图像采集处理系统[D]. 张德燕.重庆大学 2015
本文编号：3121998
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