基于多距离相位恢复的无透镜计算显微成像技术研究

【摘要】：由于被测样品和观测环境的多变性,高通量和便携式显微镜已经成为了生物医学成像的新需求。但以折射光学为基础的传统显微镜往往受限于光学元件和架构件而难以实现高度集成。相比之下,近年来发展出的无透镜显微术无需显微镜组辅助,可通过衍射图像的反演计算实现样品的数字再现。该技术能同时兼顾大视场、高分辨率以及便携化等多个特性,并有望发展成以智能计算为主导的新一代显微成像技术。本文将针对无透镜显微系统的图像配准、收敛加速、图像采集效率提升、数字准焦、像素超分辨、彩色成像以及单帧成像展开研究,并完成病理组织的全视野亚像素成像和活体细胞的快速动态成像,其具体研究内容如下:针对无透镜显微系统实际参数与算法模型不匹配的问题,提出一种无透镜自适应参数校正方法。该方法通过互相关谱峰值移动特性和逆传输图像配准对轴向图像序列进行数字对齐,并构造梯度奇异值融合锐度函数标定样品衍射距离,从而消除了多距离相位恢复中的图像失真。实验表明,该方法可自动获取光束照明角度和样品衍射距离,这既避免了繁杂的手动对焦和光束倾角精调,也为后续图像重建模型提供了完善的图像预处理方法。针对现有亚像素成像系统图像采集效率低的问题,提出一种基于全变分范数的双平面相位恢复成像算法。无透镜亚像素成像系统要求采集样品三维移动后的衍射图像序列进行亚像素补偿和相位恢复,而该三维数据层数取决于多距离相位恢复算法所需的轴向观测平面数目。双平面相位恢复算法综合考虑收敛迟滞和噪声干扰两个因素,以全变分范数构造相位反演函数,并设计加权反馈式梯度下降法重构生物样品复振幅函数。实验表明,该方法将所需测量的三维图像数据由8层减小为2层,提高了亚像素成像系统的图像采集效率。针对现有单帧计算成像技术无法实现非稀疏样品的高质量重建问题,提出一种基于非线性相位恢复的单帧计算成像方法。该方法将无透镜成像的相位反演过程等效为一个非线性最优化问题,并构造基于衍射传输的快速收缩阈值优化方法迭代求解样品复振幅,从而解决单帧重建下的收敛迟滞问题。实验表明,在不损失横向分辨率前提下,该方法消除了单帧图像反演产生的孪生像,拓宽了单帧计算成像的样品适用范围。在此基础上,以双平面相位恢复为核心搭建了无透镜亚像素成像装置,实现了548nm的横向分辨率和28.6mm~2的成像视场,并将测量图像数由288幅减少至50幅。以单帧成像为核心搭建了无透镜活体便携成像装置,并进行多种类型生物组织的实验验证。针对静态目标,小鼠大肠组织、肺部组织切片和无标记胶质细胞实验证实了该便携装置能实现密集排列组织的单帧高质量图像重建。针对动态目标,该装置能直接对活体海拉细胞培养皿进行活体成像,并完成了细胞迁移、衰亡等现象的动态观测。