本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：細(xì)胞是生命體結(jié)構(gòu)和功能活動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(wú)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(wú)損、超快、精密、動(dòng)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(zhǎng)期追求的研究目標(biāo)。定量相位顯微成像技術(shù)憑借免染色、非侵入、無(wú)損傷、可定量化等優(yōu)勢(shì),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(shí)別、參數(shù)測(cè)量以及動(dòng)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)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π奇點(diǎn)問題；第二：兼容提高恢復(fù)處理速度及探測(cè)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(duì)此,本文以國(guó)家級(jí)、省級(jí)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：(1)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)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(duì)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(cè)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(shí)別的可行性。(3)針對(duì)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(duì)噪聲不敏感,只需計(jì)算每?jī)筛缮鎴D樣強(qiáng)度差的二范數(shù),無(wú)需計(jì)算其他物理量,降低了成像要求。針對(duì)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(duì)衍射相位場(chǎng)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(cè)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,從而真正實(shí)現(xiàn)了廣義相移干涉,降低了對(duì)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。(5)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(duì)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(cè)器下利用兩個(gè)相同側(cè)向位移分束鏡和在兩個(gè)探測(cè)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級(jí)先后與+1級(jí)和-1級(jí)衍射光相干涉的兩步衍射相位成像方法。該成像方法不僅保留了傳統(tǒng)衍射相位顯微技術(shù)高穩(wěn)定和實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì),還拓展了其適用范圍,提高了相位恢復(fù)的精度。本文的研究工作不僅僅從理論上取得了一些突破,而且從實(shí)驗(yàn)上也得到了支撐,為實(shí)現(xiàn)細(xì)胞快速成像和實(shí)時(shí)測(cè)量提供了更多的選擇,也為細(xì)胞更深入的定量檢測(cè)研究提供了參考。
【關(guān)鍵詞】：生物細(xì)胞 干涉相位成像 相位恢復(fù)方法 相移獲取 關(guān)鍵技術(shù)
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：Q2-33;TH742
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 緒論14-40
• 1.1 研究背景及意義14-16
• 1.2 定量相位顯微成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀16-33
• 1.2.1 強(qiáng)度分析法下的相位顯微成像技術(shù)16-18
• 1.2.2 相位調(diào)制下的相位顯微成像技術(shù)18-31
• 1.2.3 層析相位顯微成像技術(shù)31-33
• 1.3 相位恢復(fù)方法研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)介33-37
• 1.3.1 相移測(cè)量法33-36
• 1.3.2 載波頻域測(cè)量法36-37
• 1.4 本論文的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容37-40
• 1.4.1 本論文的研究目的37-38
• 1.4.2 本論文的研究?jī)?nèi)容38-40
• 第二章 相移干涉顯微成像及其π相移問題的解決40-60
• 2.1 干涉顯微定量相位成像原理40-42
• 2.1.1 干涉顯微成像基本理論40-41
• 2.1.2 干涉記錄模式41-42
• 2.2 相移干涉顯微成像基本原理42-54
• 2.2.1 相移干涉原理42-43
• 2.2.2 相移干涉下的典型相位恢復(fù)方法43-50
• 2.2.3 相移量的典型獲取方法50-54
• 2.3 兩步相移下相移量為π的代數(shù)相位恢復(fù)方法54-59
• 2.3.1 π相移問題及其解決方法54-55
• 2.3.2 數(shù)值模擬與討論55-59
• 2.4 本章小結(jié)59-60
• 第三章 離軸干涉下的快速微分相位提取方法及其應(yīng)用60-75
• 3.1 傳統(tǒng)微分相位恢復(fù)方法基本理論60-62
• 3.2 新型微分相位恢復(fù)方法62-71
• 3.2.1 基本理論62-64
• 3.2.2 微小球數(shù)值模擬與方法驗(yàn)證64-65
• 3.2.3 典型血細(xì)胞數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)65-68
• 3.2.4 細(xì)胞相位梯度形態(tài)估算法68-71
• 3.3 新型微分相位恢復(fù)方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證71-73
• 3.3.1 完全離軸干涉下的均質(zhì)紅細(xì)胞71-72
• 3.3.2 微離軸干涉下的皮膚癌細(xì)胞72-73
• 3.4 本章小結(jié)73-75
• 第四章 兩步相移干涉下的微分相位提取方法及其應(yīng)用75-94
• 4.1 兩步相移干涉下微分相位提取方法的基本理論75-77
• 4.2 已知相移在不同干涉記錄模式下的相位恢復(fù)方法77-81
• 4.2.1 紅細(xì)胞的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)及其討論77-79
• 4.2.2 海拉細(xì)胞的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)及其討論79-81
• 4.3 二次微分相移快速確定方法81-88
• 4.3.1 二次微分相移確定方法的基本理論82-83
• 4.3.2 均質(zhì)紅細(xì)胞在不同干涉記錄模式下的仿真實(shí)驗(yàn)83-88
• 4.4 離軸干涉下衍射場(chǎng)統(tǒng)計(jì)平均相移確定方法88-93
• 4.4.1 統(tǒng)計(jì)平均相移確定的基本理論88-89
• 4.4.2 均質(zhì)紅細(xì)胞數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)及其討論89-92
• 4.4.3 聚苯乙烯小球?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證92-93
• 4.5 本章小結(jié)93-94
• 第五章 三步相移干涉下的范數(shù)相移獲取方法和與相位恢復(fù)94-116
• 5.1 范數(shù)的基本概念94-95
• 5.2 基于二范數(shù)運(yùn)算的相移獲取和相位恢復(fù)方法95-106
• 5.2.1 二范數(shù)運(yùn)算基本理論95-97
• 5.2.2 球面波與平面波的仿真實(shí)驗(yàn)及其分析97-101
• 5.2.3 相移干涉顯微成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)101-103
• 5.2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證示例103-106
• 5.3 基于類一范數(shù)運(yùn)算的相移獲取和相位恢復(fù)方法106-115
• 5.3.1 類一范數(shù)運(yùn)算基本理論106-109
• 5.3.2 平面波的仿真實(shí)驗(yàn)及其討論109-112
• 5.3.3 復(fù)雜面波的仿真實(shí)驗(yàn)112-115
• 5.4 本章小結(jié)115-116
• 第六章 廣義相移的統(tǒng)計(jì)估測(cè)方法116-130
• 6.1 衍射相位場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性116-117
• 6.2 三步相移下利用相位循環(huán)條件的相移估測(cè)方法117-118
• 6.2.1 基本理論117-118
• 6.3 兩步相移下的廣義相移統(tǒng)計(jì)估測(cè)方法118-129
• 6.3.1 基本理論119-121
• 6.3.2 均質(zhì)紅細(xì)胞的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)與討論121-127
• 6.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果127-129
• 6.4 本章小結(jié)129-130
• 第七章 瞬時(shí)兩步相移干涉以及兩步衍射相位成像系統(tǒng)研究130-143
• 7.1 瞬時(shí)相移干涉成像簡(jiǎn)介130
• 7.2 瞬時(shí)兩步相移干涉相位成像方法及系統(tǒng)130-135
• 7.2.1 單個(gè)CCD下的瞬時(shí)兩步相移成像方法130-132
• 7.2.2 單個(gè)CCD下的瞬時(shí)兩步相移成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)132-133
• 7.2.3 兩個(gè)CCD下的瞬時(shí)兩步相移成像方法及系統(tǒng)133-135
• 7.3 衍射相位顯微成像方法135-136
• 7.4 兩步衍射相位顯微成像方法136-142
• 7.4.1 兩步衍射相位顯微成像理論及系統(tǒng)137-138
• 7.4.2 兩步衍射相位顯微下的相位恢復(fù)方法138-139
• 7.4.3 仿真實(shí)驗(yàn)示例139-142
• 7.5 本章小結(jié)142-143
• 第八章 結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)與展望143-148
• 8.1 結(jié)論143-145
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)145-146
• 8.3 展望146-148
• 參考文獻(xiàn)148-159
• 致謝159-160
• 攻讀博士學(xué)位期間主要研究成果及參與科研項(xiàng)目160-162

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本文編號(hào)：616120