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《江南大学》 2017年
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基于强度传播方程的生物细胞定量相位恢复技术

田晓琳  
【摘要】:目前,光学显微成像技术在生物医学研究领域已经获得了快速的发展和广泛的应用,对于生命体的不同器官,不同组织,不同细胞或者大分子的观察和检测,一般有不同的要求,往往涉及使用到不同的显微技术。随着生命科学的不断发展,其对光学显微成像技术提出了越来越高的要求。在传统显微成像技术如基于强度成像的明场显微技术,暗场显微技术以及荧光显微技术,基于相位调制的相衬显微技术和微分干涉相衬显微技术无法满足无色透明生物细胞定量相位测量的要求时,国内外学者研究并提出了多种能够实现定量相位成像的显微技术如基于干涉的定量干涉显微技术和数字全息,基于迭代算法的G-S算法,PIE成像技术。而相对于这些方法而言,基于强度传播方程的定量相位成像技术(TIE)因其诸多优势获得了越来越多的科研工作者的关注,使得该方法在近些年得到了快速发展和广泛应用。本文从发展历程,国内外研究现状和TIE方程的推导过程以及傅里叶变换求解方法对基于强度传播方程的定量相位成像技术进行了比较详细地论述,并重点研究了基于TIE的实时定量相位成像方法。传统TIE成像技术一般是通过图像探测器z轴扫描的方法采集不同离焦距离的强度图,该方法不仅实际操作起来上比较麻烦而且费时,无法实现实时相位成像。针对传统TIE成像技术的不足之处,本文着重研究并提出了两种基于TIE成像技术的实时定量相位成像技术,即双目视TIE成像技术和基于单次曝光的TIE成像技术,这两种方法可以克服传统TIE技术的缺点,实现生物活细胞实时相位测量,扩大了TIE相位成像技术在生命科学和医学领域的应用范围。双目视TIE成像系统通过在传统倒置显微镜的两个目镜筒上安装规格完全相同的两个CCD探测器来采集过焦和欠焦强度图,因为在焦强度图可以通过计算过焦强度图和欠焦强度图的平均值近似得出,所以该方法可以实现实时相位成像。双目视TIE的新颖之处在于巧妙地结合了传统倒置显微镜的结构特点,然后通过优化算法实现了实时TIE相位成像。本文通过数值模拟和实验验证证明了该方法的可行性和精确性。基于单次曝光的实时定量TIE成像技术主要在倒置显微镜的C口处搭建4f系统,然后通过编码相位掩膜板加载到空间光调制器(SLM)上实现光束分光和调焦,实现在同一个CCD芯片上实时采集三幅强度图,该方法具有更加的灵活性,且更精确地实现了实时TIE相位成像技术。本文所提出的基于TIE技术的实时相位成像方法可以扩展TIE成像技术在生物医学活细胞动态检测领域的应用范围,为实现实时定量相位测量提供了更加有效和灵活的方法。
【关键词】:强度传播方程 实时相位成像 活细胞成像 计算成像技术
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q-336
【目录】:
  • 摘要3-4
  • ABSTRACT4-8
  • 第一章 绪论8-20
  • 1.1 引言8
  • 1.2 基于强度的显微成像技术8-12
  • 1.2.1 明场显微成像技术8-9
  • 1.2.2 暗场显微成像技术9-11
  • 1.2.3 荧光显微成像技术11-12
  • 1.3 定性相位成像技术12-15
  • 1.3.1 相衬显微成像技术12-13
  • 1.3.2 微分干涉相衬显微成像技术13-15
  • 1.4 定量相位成像技术15-17
  • 1.4.1 基于干涉的定量相位显微成像技术15
  • 1.4.2 基于迭代原理的相位恢复技术15-17
  • 1.4.3 基于强度传播方程的相位恢复算法17
  • 1.5 TIE技术发展历程以及国内外研究现状17-18
  • 1.6 本文研究意义与结构内容18-20
  • 第二章 TIE相位成像技术原理20-26
  • 2.1 TIE方程的推导过程20-22
  • 2.2 TIE方程的求解22-25
  • 2.3 本章小结25-26
  • 第三章 双目视TIE实时相位成像方法26-38
  • 3.1 双目视TIE实时成像原理简介29-30
  • 3.2 双目视TIE实时成像数值模拟30-33
  • 3.3 双目视TIE实时相位成像方法的实验验证33-36
  • 3.3.1 实验系统的搭建33-35
  • 3.3.2 实验结果的处理与分析35-36
  • 3.4 本章小结36-38
  • 第四章 基于单次曝光的TIE实时相位成像方法38-44
  • 4.1 基于单次曝光的TIE实时相位成像方法的基本原理38-39
  • 4.2 单次曝光TIE实时相位成像方法的数值模拟39-40
  • 4.3 单次曝光TIE实时相位成像方法的实验验证40-43
  • 4.3.1 实验系统的搭建40-41
  • 4.3.2 实验结果的处理与分析41-43
  • 4.4 本章小结43-44
  • 第五章 总结与展望44-46
  • 5.1 本文所做工作总结44-45
  • 5.2 展望45-46
  • 致谢46-47
  • 参考文献47-50
  • 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文50

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1 田晓琳;基于强度传播方程的生物细胞定量相位恢复技术[D];江南大学;2017年
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