自适应光学荧光闭环技术在共聚焦成像中的应用

发布时间：2017-04-13 10:52

  本文关键词：自适应光学荧光闭环技术在共聚焦成像中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：共焦荧光显微镜具有高分辨率,三维成像等优点。但受到像差的影响,随着成像深度的增加,显微镜三维分辨率下降,荧光激发效率降低,荧光图像信噪比也随之降低,因此大大限制了共焦荧光显微镜在厚组织样本及活体成像中的应用。本论文主要针对活体成像的复杂特性,采用了基于无波前探测的自适应光学技术对像差进行校正,分别从共焦荧光显微镜成像理论、无波前优化算法和共焦荧光显微镜实验系统研制等多个方面开展工作,并最终实现其在小鼠血管活体成像中的应用。首先对共焦荧光显微镜成像理论进行了研究,推导出共焦显微镜非相干三维强度点扩散函数和光学传递函数,作为后续像差校正分析的理论基础。利用数值仿真,研究了针孔孔径大小和显微镜中两类像差对系统三维分辨率的影响。针对显微镜中的两类像差,以数值仿真为手段,分析了随机并行梯度下降(SPGD)算法和模态法这两种无波前优化算法在共焦显微镜中的校正效果。并对比了两种算法在校正精度和校正速度两方面的差异,仿真结果表明,SPGD算法在共焦显微镜中综合校正效果更好。同时对图像噪声对SPGD算法收敛速度的影响进行了数值仿真研究。然后,以前述理论分析为基础,确定了系统的主要性能参数,搭建了一套自适应光学共焦荧光显微镜实验系统,并设计完成系统的时序控制和系统软件。利用模拟荧光靶标作为成像对象,完成了SPGD算法像差校正实验,验证了SPGD算法进行荧光图像闭环校正的有效性。然后通过实验对比SPGD算法与直接斜率法的像差校正精度,结果显示,SPGD闭环校正和直接斜率法校正后的图像质量基本一致。针对图像噪声的影响,通过实验分析了图像去噪对SPGD算法收敛速度的影响。此外,利用荧光微珠标定了像差校正前后实验系统的三维分辨率。最后将自适应光学共焦荧光显微镜成功地应用在小鼠血管活体成像中。活体成像时由于动物呼吸的影响,图像存在幅度较大的低频抖动,造成SPGD算法迭代过程难以收敛。本文采用基于图像金字塔的KLT算法在SPGD校正过程中进行图像跟踪,有效克服了抖动的影响。最终完成了小鼠耳廓血管和头盖骨骨髓血管的活体成像及像差校正实验。校正后的血管三维形态图及荧光图像都表明,基于SPGD算法的自适应光学应用于活体成像时,能够有效克服像差的影响,提高系统分辨率和荧光强度,改善图像质量,进而延伸显微镜有效成像深度。
【关键词】：共焦荧光显微镜 自适应光学 活体成像 SPGD算法
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41;O439
【目录】：

• 致谢3-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 1.绪论11-33
• 1.1 引言11-12
• 1.2 共聚焦荧光显微镜在活体成像中的应用12-16
• 1.2.1 共聚焦显微镜概述12-13
• 1.2.2 荧光显微成像技术13-16
• 1.2.3 共焦荧光显微镜在活体成像中的局限16
• 1.3 显微镜成像中像差16-21
• 1.3.1 像差表示17-18
• 1.3.2 折射率失配引起像差描述18-20
• 1.3.3 生物组织折射率不均匀造成的像差20-21
• 1.4 自适应光学介绍21-26
• 1.4.1 自适应光学原理22
• 1.4.2 波前校正器22-24
• 1.4.3 波前控制原理24
• 1.4.4 AO技术在人眼活体高分辨率成像中的应用24-26
• 1.5 显微镜中自适应光学应用的主要问题26
• 1.6 自适应光学在显微镜中的应用及国内外研究现状26-31
• 1.6.1 基于有波前探测的自适应光学在显微镜领域的应用26-29
• 1.6.2 基于无波前探测的自适应光学在显微镜领域的应用29-30
• 1.6.3 课题研究背景及意义30-31
• 1.7 论文主要内容及章节简介31-33
• 2.单光子共焦荧光显微镜理论研究33-51
• 2.1 单透镜的三维成像理论33-40
• 2.1.1 单透镜的三维强度点扩散函数33-37
• 2.1.2 单透镜三维相干传递函数37-38
• 2.1.3 三维光学传递函数38-40
• 2.2 反射式单光子荧光共焦显微镜成像理论40-48
• 2.2.1 共焦荧光扫描显微镜概述40-41
• 2.2.2 共焦荧光显微镜非相干成像公式41-44
• 2.2.3 共焦荧光显微镜传递函数理论44-46
• 2.2.4 针孔大小对系统分辨率及荧光强度的影响46-48
• 2.3 像差对单光子共焦荧光显微镜分辨率的影响48-50
• 2.3.1 折射率失配引起的像差对显微镜分辨率的影响48-49
• 2.3.2 样品自身像差对显微镜分辨率的影响49-50
• 2.4 本章小结50-51
• 3.无波前探测自适应光学共焦显微镜仿真分析51-75
• 3.1 仿真模型介绍51-52
• 3.2 波前校正器52-53
• 3.3 图像评价指标53-55
• 3.4 无波前优化算法55-59
• 3.4.1 随机并行梯度下降算法56-58
• 3.4.2 模态法58-59
• 3.5 像差校正仿真分析59-68
• 3.5.1 像差生成60-61
• 3.5.2 算法参数的选取61-62
• 3.5.3 SPGD算法校正效果62-65
• 3.5.4 模态法闭环校正仿真65-68
• 3.6 SPGD算法与模态法校正效果对比68-73
• 3.6.1 折射率失配像差校正效果对比68-70
• 3.6.2 样品自身随机像差校正效果对比70-73
• 3.7 图像噪声对SPGD算法的影响73-74
• 3.8 本章总结74-75
• 4.自适应光学显微镜实验系统及像差校正研究75-97
• 4.1 自适应光学显微镜实验系统介绍75-84
• 4.1.1 系统光路结构75-76
• 4.1.2 显微镜主要器件及参数76-79
• 4.1.3 系统控制时序79-81
• 4.1.4 软件设计81-84
• 4.2 共焦显微镜像差校正实验研究84-95
• 4.2.1 实验背景介绍84-85
• 4.2.2 显微镜无波前探测像差校正效果85-89
• 4.2.3 无波前探测荧光图像闭环与有波前探测校正精度对比89-90
• 4.2.4 图像信噪比对SPGD算法的影响90-92
• 4.2.5 显微镜三维分辨率测试92-95
• 4.3 本章小结95-97
• 5.小鼠活体血管荧光成像实验研究97-115
• 5.1 小鼠活体血管成像背景及意义97-100
• 5.1.1 小鼠耳廓血管成像概况及意义97-98
• 5.1.2 小鼠头盖骨骨髓成像概况及意义98-99
• 5.1.3 小鼠头盖骨相关参数介绍及成像要求99-100
• 5.2 活体成像面临的问题及图像处理方案100-105
• 5.2.1 KLT算法原理101-104
• 5.2.2 KLT算法跟踪效果104-105
• 5.3 小鼠活体血管成像结果及像差校正效果105-113
• 5.3.1 实验准备介绍105-106
• 5.3.2 耳廓血管活体成像及像差校正实验106-110
• 5.3.3 头盖骨骨髓血管成像及像差校正实验结果110-113
• 5.4 本章小结113-115
• 6.总结与后续工作展望115-118
• 6.1 论文主要工作总结115-116
• 6.2 论文主要创新点116
• 6.3 后续工作展望116-118
• 7.参考文献118-126
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果126-127

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