三維定量相位顯微鏡成像及圖像分析關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在研究活體細(xì)胞結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化和生理活動(dòng)時(shí)，無(wú)需造影劑的顯微鏡是最理想的觀測(cè)手段。折射率是物體固有的對(duì)比源，同時(shí)也是一個(gè)重要的生化參數(shù)，與分子的濃度成正比。利用對(duì)折射率分布的定量測(cè)量，細(xì)胞在化學(xué)藥品或者藥物作用下形態(tài)的變化以及它們正常的生理活動(dòng)都能夠在自然狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。斷層相位顯微鏡(tomographic phasemicroscopy，TPM)是一種基于定量相位顯微鏡(quantitative phase microscopy，QP

2、M)技術(shù)對(duì)近乎透明的生物樣本進(jìn)行三維折射率分布測(cè)量的一種新型顯微鏡。
　　本文從三維定量相位顯微鏡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)將三維定量相位顯微鏡系統(tǒng)應(yīng)用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cells，CTCs)的檢測(cè)所面臨的一些技術(shù)問(wèn)題如測(cè)量極限和圖像重建算法等方面進(jìn)行了一系列新的嘗試。另外，在圖像分析技術(shù)方面也進(jìn)行了探討。論文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　一、在相位顯微鏡的基礎(chǔ)上成功搭建出三維定量相位顯微鏡系統(tǒng)，獲得了較高

3、的空間分辨率和準(zhǔn)確的折射率表達(dá)。并將其成功的應(yīng)用于活體生物細(xì)胞折射率分布的測(cè)量，得到了單個(gè)HeLa活體細(xì)胞的結(jié)構(gòu)分布圖。隨后，我們制作了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的樣本，包括單層聚苯乙烯微珠、雙層聚苯乙烯微珠和雙層HeLa活體細(xì)胞。利用三維定量相位顯微鏡系統(tǒng)對(duì)其三維折射率分布進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)其成像能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　二、進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，合成了三維微珠模型以及細(xì)胞模型（三維修正Shepp-Logan模型）的散射場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)，為相應(yīng)的圖像處理算法研究提供了基

4、礎(chǔ)。在圖像重建過(guò)程中，我們分別采用了相位投影近似下的濾波反投影算法和考慮衍射作用的衍射層析算法，并對(duì)兩者的圖像重建質(zhì)量進(jìn)行了比較，同時(shí)也對(duì)衍射層析相位顯微鏡中的Born一級(jí)近似和Rytov一級(jí)近似模型進(jìn)行了比較，為針對(duì)不同樣本選用合適的重建算法提供了指導(dǎo)。同時(shí)，針對(duì)圖像重建過(guò)程中由于缺失錐問(wèn)題帶來(lái)的圖像分辨率下降和折射率偏低等問(wèn)題，我們采用了迭代約束的方法來(lái)提高圖像質(zhì)量。
　　三、發(fā)展了一種面向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)圖像的分析方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)