本文選題：層析成像 + 顯微成像　； 參考：《暨南大學》2016年博士論文

【摘要】：在生物醫(yī)學領域的研究中,成像分析測試設備是觀測細胞與生物組織的結(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研究中最常用的成像工具。傳統(tǒng)的光學顯微鏡只能獲取物光波強度的二維分布圖,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)學研究的要求。光學顯微層析成像技術就是一種能實現(xiàn)樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)測量的技術手段。但是典型技術包括光學投影層析術和激光掃描共聚焦顯微術等都是以測量光強度為基礎,對于相位型生物樣品和低散射樣品的成像對比度低,而且是利用共聚焦技術逐點掃描,存在成像速度慢的制約。因此,發(fā)展新的光學顯微層析成像技術,對細胞、微小生物組織等樣品實現(xiàn)無擾、高分辨、定量的顯微分析是目前生物醫(yī)學研究迫切需求的。數(shù)字全息顯微層析成像技術就是近幾年發(fā)展起來的一種新型三維成像技術,首先全息記錄下待測物體在各個觀測角下的數(shù)字全息圖,數(shù)值再現(xiàn)出全角度下的復振幅數(shù)據(jù),然后運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、寬光束照射且所需光功率低、無需熒光標記可實現(xiàn)無擾分析以及具有高空間分辨率的優(yōu)點。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,如果成功開發(fā)無疑能夠為生命科學、臨床醫(yī)學、生物技術、新材料和制藥等高新技術的發(fā)展提供先進和安全的檢測技術和研究工具,因此數(shù)字全息顯微層析成像技術的研究具有重要的科學意義和應用價值。本文首先針對影響層析重建像質(zhì)量的關鍵問題,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結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計,對三種典型記錄光路的系統(tǒng)成像分辨率進行理論分析和比較,并給出實驗結(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)波前的主要畸變進行了分析,提出適合數(shù)字全息顯微層析成像應用要求的波前校正方法;針對層析成像實驗中樣品旋轉(zhuǎn)時的軸向移動所導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)距離的自動判定進行研究,提出基于累積邊緣檢測的自動聚焦判定方法。給出實驗結(jié)果證明上述各方法的正確性與可靠性。對數(shù)字全息顯微層析成像系統(tǒng)進行整體設計和搭建,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上,對物光路中的樣品環(huán)境進行設計和具體的配置,創(chuàng)造出滿足層析重建算法的光路環(huán)境,設計樣品定位標記并提出相應的校正樣品移位誤差的處理方法。在投影采集光路系統(tǒng)中加入基于單片機開發(fā)的樣品角度自動轉(zhuǎn)動裝置,并基于Matlab語言開發(fā)出相關的交互式控制程序,實現(xiàn)對樣品旋轉(zhuǎn)與數(shù)字全息圖采集的聯(lián)動控制。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算機實現(xiàn)步驟。研究分析算法的重建準確度、計算效率、抗噪魯棒性等性能并對算法進行優(yōu)化,通過數(shù)值模擬驗證了將數(shù)字全息顯微術與層析成像術相結(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,推導出像面數(shù)字全息顯微記錄方式下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行研究,并分別給出具體的計算機實現(xiàn)步驟。通過數(shù)值模擬驗證了在衍射不能忽略情況下將數(shù)字全息顯微術與衍射層析成像術相結(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確度、計算效率、抗噪魯棒性等性能進行了對比分析。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)的微蟲作為實際生物樣品,用本文的數(shù)字全息顯微層析成像系統(tǒng)進行實驗研究。根據(jù)樣品圓柱對稱的結(jié)構(gòu)特點,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,并針對相位畸變補償?shù)牟粡氐姿鶎е碌闹亟ㄏ窕?提出了有效消除重建誤差的處理方法。實驗結(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,從而為微小生物樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損、定量測量提供了新的途徑。
[Abstract]:In the field of biomedical research , the imaging analysis and testing equipment is an important tool for observing the structure and life state of the cells and biological tissues . The microscopic imaging instrument is one of the most commonly used imaging tools in life science research . In this paper , the feasibility and reliability of reconstructing the refractive index distribution of the object by using single - mode fiber and polarization maintaining fiber are presented , and the reconstruction accuracy , calculation efficiency and anti - noise robustness of the two algorithms are analyzed .

【學位授予單位】：暨南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O438.1;R318

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 劉長庚;王大勇;張亦卓;趙潔;萬玉紅;江竹青;;數(shù)字全息成像中基于導數(shù)的自動對焦算法[J];中國激光;2009年11期

2 趙雅晶,鐘金鋼;全數(shù)字全息術在圖像信息隱藏中的應用[J];光學技術;2005年06期

3 趙雅晶,鐘金鋼;黃氏傅里葉計算全息圖的數(shù)字再現(xiàn)及零級像的消除[J];光子學報;2004年11期

4 于彥華,邢達;激光共焦掃描顯微鏡及其在生物醫(yī)學中的應用[J];激光雜志;1999年06期

相關博士學位論文 前1條

1 馬利紅;數(shù)字全息顯微成像像質(zhì)優(yōu)化及系統(tǒng)實現(xiàn)[D];浙江大學;2011年

相關碩士學位論文 前1條

1 郭進;光學投影斷層成像系統(tǒng)構(gòu)建及應用研究[D];哈爾濱理工大學;2014年

，

本文編號：1841818