本文關(guān)鍵詞：基于液晶濾波器件的高光譜顯微成像系統(tǒng)設(shè)計及生物檢測應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：能夠同時獲得樣品的形貌信息和光譜信息的高光譜顯微成像技術(shù)是探索微觀世界的重要手段之一,其具有非接觸、無損害、精度高、重復(fù)性好等眾多優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于生物檢測領(lǐng)域。不同的高光譜顯微成像系統(tǒng)能夠獲得不同類型的光譜圖像,如吸收光譜圖像、熒光光譜圖像、拉曼光譜圖像等。然而,由于生物樣品的多樣性和復(fù)雜性使得不同樣品之間的光譜響應(yīng)有著巨大差異,例如有些樣品因自發(fā)熒光很弱而無法進(jìn)行熒光光譜成像,有些樣品則因為太厚而無法進(jìn)行透射光譜成像,系統(tǒng)的應(yīng)用往往受限于樣品。目前,沒有任何一種光譜成像技術(shù)能適用于所有生物樣品的檢測。此外,由于生物個體差異的因素,使得來自不同個體的同種生物組織的光譜響應(yīng)也有所不同,因此難以確定與該組織所對應(yīng)的光譜特征峰或者特征分布,給光譜鑒別帶來了不利影響。為了克服這些缺點,并進(jìn)一步促進(jìn)高光譜顯微成像技術(shù)在生物檢測中的應(yīng)用,我們設(shè)計和搭建了一套基于液晶濾波器件的能夠分別檢測透射光譜和熒光光譜(雙類型光譜)的高光譜顯微成像系統(tǒng),并通過對光源進(jìn)行優(yōu)選和對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,改善了高光譜顯微成像系統(tǒng)響應(yīng)度低的缺點。此外,以胃癌細(xì)胞為例,提出了一種能夠有效避免生物個體差異所帶來的不良影響的癌細(xì)胞光譜鑒別方法,通過對判別模型進(jìn)行改進(jìn)大大提高了光譜鑒別的準(zhǔn)確率和適用性。本文研究內(nèi)容主要包括:1.理論分析及系統(tǒng)設(shè)計。為了實現(xiàn)雙類型光譜顯微成像以獲取更全面的樣品信息,在對傳統(tǒng)高光譜顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析后,確定采用透射光譜和熒光光譜成像結(jié)合的方式構(gòu)建系統(tǒng)。而為了提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量,本文對系統(tǒng)的響應(yīng)能力進(jìn)行了分析研究。高光譜顯微成像系統(tǒng)的響應(yīng)能力與光源能量、曝光時間、放大倍率、CCD靈敏度以及光信號在傳輸過程中的各種損耗有關(guān),在對這些因素進(jìn)行了詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,提出了改善系統(tǒng)響應(yīng)的辦法,并以此為依據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化。2.光源系統(tǒng)設(shè)計與搭建。為了分別獲得透射光譜成像和熒光光譜成像,系統(tǒng)需要一個照明光源和一個激發(fā)光源。本文分別設(shè)計和搭建了266 nm、457 nm以及410 nm的激光系統(tǒng),并對其性能進(jìn)行了測試,最終選擇了光學(xué)元件對其吸收損耗小且易于激發(fā)熒光的410nm激光作為系統(tǒng)的熒光激發(fā)光源。同時,本文采用了能大大提高光收集率的折反式光學(xué)系統(tǒng)配合白光LED作為照明光源。通過提高光源光能的利用率,能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的信噪比,提高系統(tǒng)響應(yīng)。3.高光譜顯微成像系統(tǒng)搭建。根據(jù)理論分析和實際情況,采用無窮遠(yuǎn)平場消色差顯微物鏡、連續(xù)變焦光學(xué)成像鏡頭以及液晶濾波器件等進(jìn)行了系統(tǒng)搭建。此系統(tǒng)能夠分別獲得在450-700 nm范圍內(nèi)的透射光譜顯微成像和熒光光譜顯微成像,其靈敏度高,成像質(zhì)量好,穩(wěn)定性強(qiáng),系統(tǒng)最高光譜分辨率為1 nm,最快的圖像獲取時間為100.02 ms。4.基于高光譜顯微成像系統(tǒng)的花粉檢測實驗。此實驗以玫瑰花的蜂花粉為樣本研究了該系統(tǒng)的雙類型光譜檢測能力。該蜂花粉在常規(guī)顯微鏡中表現(xiàn)為中心有一空洞的顆粒結(jié)構(gòu)。通過本系統(tǒng)進(jìn)行透射光譜測量,我們發(fā)現(xiàn)其中心空洞實際上是一層近乎透明的非均勻的薄膜結(jié)構(gòu),且通過熒光光譜測量可以確定該薄膜的主要成分與周邊組織一致。因此,盡管薄膜以外的組織因太厚而無法進(jìn)行透射光譜測量,我們?nèi)阅茉诒∧ぬ帿@取與花粉其他位置相關(guān)的透射光譜信息。這一系列檢測結(jié)果的獲取都是傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡或者僅能進(jìn)行單類型光譜成像的顯微系統(tǒng)所不能夠?qū)崿F(xiàn)的。5.基于高光譜顯微成像系統(tǒng)的癌細(xì)胞鑒別實驗。本文以胃癌細(xì)胞及正常胃組織細(xì)胞樣本為例,研究了高光譜圖像的信息提取及鑒別技術(shù)。由于個體差異,采集于不同病人的樣品,其癌細(xì)胞所反映出來的光譜特征有較大差異,無明顯特征峰存在。本文通過比較分析同一樣品內(nèi)正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的光譜差異,提出了一種以光譜區(qū)域劃分及區(qū)域特征為判別依據(jù)的鑒別方法,結(jié)合BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)算法實現(xiàn)了對胃癌細(xì)胞的智能鑒別,其平均鑒別準(zhǔn)確率高達(dá)95%。實驗證明,采用雙類型光譜成像和基于光譜區(qū)域劃分及區(qū)域特征的鑒別方法能夠顯著改善高光譜顯微成像系統(tǒng)的檢測能力和適用能力。系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)花粉中的特殊結(jié)構(gòu),并能對胃癌細(xì)胞進(jìn)行精確鑒別,其相關(guān)研究成果對高光譜顯微成像技術(shù)在生物檢測應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展有著積極的意義。
【關(guān)鍵詞】：高光譜成像 生物檢測 透射光譜 熒光光譜 胃癌 蜂花粉
【學(xué)位授予單位】：暨南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41;R318
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 第一章 緒論10-26
• 1.1 光譜生物檢測技術(shù)發(fā)展概述10-17
• 1.2 高光譜顯微成像生物檢測技術(shù)發(fā)展概述17-22
• 1.3 本文研究意義及文章結(jié)構(gòu)22-26
• 第二章 高光譜顯微成像相關(guān)技術(shù)介紹26-47
• 2.1 光源及其相關(guān)技術(shù)26-36
• 2.2 顯微成像系統(tǒng)原理36-39
• 2.3 濾波器件工作原理39-43
• 2.4 基于光譜信息的鑒別方法簡介43-47
• 第三章 高光譜顯微成像系統(tǒng)搭建47-60
• 3.1 系統(tǒng)設(shè)計47-53
• 3.2 系統(tǒng)硬件性能53-56
• 3.3 系統(tǒng)軟件功能56-59
• 3.4 系統(tǒng)綜合指標(biāo)59-60
• 第四章 基于高光譜顯微成像系統(tǒng)的花粉檢測實驗60-67
• 4.1 實驗準(zhǔn)備及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置60
• 4.2 實驗及結(jié)果分析60-66
• 4.3 結(jié)論66-67
• 第五章 基于高光譜顯微成像系統(tǒng)的癌細(xì)胞鑒別實驗67-80
• 5.1 實驗準(zhǔn)備及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置67-68
• 5.2 實驗及結(jié)果分析68-78
• 5.3 結(jié)論78-80
• 第六章 總結(jié)與展望80-82
• 主要參考文獻(xiàn)82-91
• 在學(xué)期間發(fā)表論文91-93
• 致謝93

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 ;Microscopic hyperspectral imaging studies of normal and diabetic retina of rats[J];Science in China(Series C:Life Sciences);2008年09期

  本文關(guān)鍵詞：基于液晶濾波器件的高光譜顯微成像系統(tǒng)設(shè)計及生物檢測應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：263097