微小生物體的數(shù)字全息顯微層析成像技術(shù)研究.pdf

1、在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中，成像分析測試設(shè)備是觀測細(xì)胞與生物組織的結(jié)構(gòu)形態(tài)和生命狀態(tài)的重要工具，其中顯微成像儀器是生命科學(xué)研究中最常用的成像工具。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡只能獲取物光波強(qiáng)度的二維分布圖，并不能給出被測物體的三維空間信息，難以滿足日益發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)研究的要求。光學(xué)顯微層析成像技術(shù)就是一種能實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)測量的技術(shù)手段。但是典型技術(shù)包括光學(xué)投影層析術(shù)和激光掃描共聚焦顯微術(shù)等都是以測量光強(qiáng)度為基礎(chǔ)，對于相位型生物樣品和低散射樣品的成

2、像對比度低，而且是利用共聚焦技術(shù)逐點(diǎn)掃描，存在成像速度慢的制約。因此，發(fā)展新的光學(xué)顯微層析成像技術(shù)，對細(xì)胞、微小生物組織等樣品實(shí)現(xiàn)無擾、高分辨、定量的顯微分析是目前生物醫(yī)學(xué)研究迫切需求的。
　　數(shù)字全息顯微層析成像技術(shù)就是近幾年發(fā)展起來的一種新型三維成像技術(shù)，首先全息記錄下待測物體在各個(gè)觀測角下的數(shù)字全息圖，數(shù)值再現(xiàn)出全角度下的復(fù)振幅數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用一定的重建算法重構(gòu)出物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維折射率分布。它具有成像速度快、寬光束照射且所需

3、光功率低、無需熒光標(biāo)記可實(shí)現(xiàn)無擾分析以及具有高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。作為一種高分辨率的安全無損的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維成像技術(shù)，如果成功開發(fā)無疑能夠?yàn)樯茖W(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、新材料和制藥等高新技術(shù)的發(fā)展提供先進(jìn)和安全的檢測技術(shù)和研究工具，因此數(shù)字全息顯微層析成像技術(shù)的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文首先針對影響層析重建像質(zhì)量的關(guān)鍵問題，即數(shù)字全息顯微再現(xiàn)像的像質(zhì)優(yōu)化問題展開了一系列的研究，具體內(nèi)容包括：研究數(shù)字全息顯微記錄光路

4、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對三種典型記錄光路的系統(tǒng)成像分辨率進(jìn)行理論分析和比較，并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明像面數(shù)字全息記錄方式是一種最優(yōu)化的全息記錄和成像方式；對像面數(shù)字全息圖數(shù)值再現(xiàn)波前的主要畸變進(jìn)行了分析，提出適合數(shù)字全息顯微層析成像應(yīng)用要求的波前校正方法；針對層析成像實(shí)驗(yàn)中樣品旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸向移動(dòng)所導(dǎo)致的記錄像的離焦問題，對數(shù)字全息顯微成像數(shù)值再現(xiàn)中的最佳再現(xiàn)距離的自動(dòng)判定進(jìn)行研究，提出基于累積邊緣檢測的自動(dòng)聚焦判定方法。給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明上述各方法

5、的正確性與可靠性。
　　對數(shù)字全息顯微層析成像系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和搭建，在Mach-Zenhder型透射式的像面離軸數(shù)字全息顯微記錄光路的基礎(chǔ)上，對物光路中的樣品環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)和具體的配置，創(chuàng)造出滿足層析重建算法的光路環(huán)境，設(shè)計(jì)樣品定位標(biāo)記并提出相應(yīng)的校正樣品移位誤差的處理方法。在投影采集光路系統(tǒng)中加入基于單片機(jī)開發(fā)的樣品角度自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，并基于Matlab語言開發(fā)出相關(guān)的交互式控制程序，實(shí)現(xiàn)對樣品旋轉(zhuǎn)與數(shù)字全息圖采集的聯(lián)動(dòng)控制。

6、r>　　結(jié)合傅里葉投影切片理論深入研究數(shù)字全息顯微層析成像的理論模型，給出將數(shù)字全息顯微投影數(shù)據(jù)用于執(zhí)行層析重建算法重建出物體內(nèi)部折射率分布的基本原理和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟。研究分析算法的重建準(zhǔn)確度、計(jì)算效率、抗噪魯棒性等性能并對算法進(jìn)行優(yōu)化，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了將數(shù)字全息顯微術(shù)與層析成像術(shù)相結(jié)合重建物體內(nèi)部折射率分布的可行性與可靠性。
　　結(jié)合傅里葉衍射投影理論深入研究數(shù)字全息顯微衍射層析重建的理論模型，推導(dǎo)出像面數(shù)字全息顯微記錄方式下

7、的衍射層析重建公式，獲取衍射層析重建所需的透射場數(shù)據(jù)。對基于傅里葉衍射投影定理的兩種衍射層析重建算法進(jìn)行研究，并分別給出具體的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟。通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了在衍射不能忽略情況下將數(shù)字全息顯微術(shù)與衍射層析成像術(shù)相結(jié)合重建出物體內(nèi)部折射率分布的可行性與可靠性，并對兩種算法的重建準(zhǔn)確度、計(jì)算效率、抗噪魯棒性等性能進(jìn)行了對比分析。
　　用單模光纖和保偏光纖分別模擬圓柱對稱和非圓柱對稱結(jié)構(gòu)的顯微生物組織，并以半透明線狀結(jié)構(gòu)的微蟲作為實(shí)際

8、生物樣品，用本文的數(shù)字全息顯微層析成像系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)樣品圓柱對稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出只用單幅像面全息圖獲取的散射場數(shù)據(jù)執(zhí)行層析重建算法，并針對相位畸變補(bǔ)償?shù)牟粡氐姿鶎?dǎo)致的重建像畸變，提出了有效消除重建誤差的處理方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在衍射不能忽略情況下，傅里葉衍射層析重建算法比基于傅里葉投影切片定理的層析重建算法更適合用于對顯微生物樣品的三維折射率分布的精確測量。本文最終實(shí)現(xiàn)了對截面40微米左右直徑大小的微小生物體的層析重建，從而為