摘要:细胞是生命体结构和功能活动的基本单位,其形态结构特征和内部组成成分决定了它的健康状态、功能和活动等等,这些都与生命科学中遗传、疾病、免疫与康复等密切相关。细胞的研究,尤其是内部结构和动力学行为的分析有赖于显微技术的水平。传统的显微镜已无法满足生命科学研究的要求,发展新的显微成像方法与技术用于实现细胞原态、无损、超快、精密、动态的显微成像是生命科学研究的迫切需求,也一直是研究员们长期追求的研究目标。
定量相位显微成像技术凭借免染色、非侵入、无损伤、可定量化等优势,成为生物细胞显微成像非常有利的工具。近十几年来,研究员们相继提出了许多先进的定量相位成像技术,并成功用于细胞相位成像、类别识别、参数测量以及动力学行为分析等应用领域。大部分定量相位成像技术都是基于光波干涉原理,通常包括干涉图样采集、相位信息恢复以及可能需要的相位解包这几个过程,其中相位恢复技术主要决定着相位成像的质量、速度和精确度,因此相位恢复方法及其成像技术的研究具有极其重要的意义。本课题组通过系统查阅相关资料发现在相位恢复技术中尚有一些问题有待积极开展研究。诸如第一:在广义相移干涉相位恢复中相移-奇点问题;第二:兼容提高恢复处理速度及探测器空间带宽的问题;第三:在应用方面上存在着较多的限制条件。对此,本文以国家级、省级等多个项目为支撑,主要围绕相位恢复方法及其成像技术的不足和技术发展要求开展了系统性的基础理论及其关键应用技术的研究,并取得了预期效果,主要成果如下:
(1)系统分析了目前各类典型相位成像的技术特征及其技术下的典型相位恢复方法特征,包括相移获取方法。找出了两步相移干涉中π相移奇点的成因,提出了在满足物光波与参考光波强度相等的情况下,通过数值计算两干涉图样的和与差可解决π相移奇点的方法,并给出了相位恢复的代数方法以及该方法的模拟验证。
(2)针对干涉显微技术中一些传统相位恢复方法存在限制条件多、相移检测精度不够高、相位恢复处理速度不够快等问题,基于局部微分算子的灵敏特性和数值计算能力,分别提出了适用于所有载频干涉和任意记录模式下两步相移干涉的新型相位恢复方法,并且得到了仿真实验和光学实验的验证,这些方法可有效地解决上述的问题。此外,还提出了利用相位梯度粗略估计细胞形态信息的方法,其中非均质亚类白细胞的相位梯度结果表明了该方法的有效性,以及用于细胞类别识别的可行性。
(3)针对干涉显微技术中噪声的存在,结合三步相移干涉,提出了抗噪声的矩阵二范数运算相移确定方法。该方法易于执行,对噪声不敏感,只需计算每两干涉图样强度差的二范数,无需计算其他物理量,降低了成像要求。针对二范数相移获取运算需满足条纹数目大于1的限制条件,提出了类一矩阵范数运算的相移确定方法,以及利用相移差为π的两干涉图样消除背景光强的方法。这些方法得到了仿真实验和光学实验的验证,结果表明了他们的有效性以及精确性。
(4)通过对衍射相位场统计平均特性的分析,提出了在两步或是更多步相移干涉下利用统计平均运算和两干涉光波之间空间频率关系特征的相移拓展测量方法。该相移可以是完整周期(0,2π)内除奇点π外的任何值,从而真正实现了广义相移干涉,降低了对相移器精度和成像条件的要求。均质红细胞的定量相位模拟结果和聚苯乙烯小球的实验结果说明了该方法在理想以及噪声环境下的高性能。
(5)基于本文在理论上的研究成果,依据所提及的相位恢复方法对成像实验的技术要求,开展了关键技术的设计研究。特别是提出了在单个探测器下利用两个相同侧向位移分束镜和在两个探测器下利用多个普通分束镜分别来实现的瞬时两步相移成像方法。考虑到相位成像系统的稳定性,本文提出了利用光栅衍射0级先后与+1级和-1级衍射光相干涉的两步衍射相位成像方法。该成像方法不仅保留了传统衍射相位显微技术高稳定和实时测量的优势,还拓展了其适用范围,提高了相位恢复的精度。
本文的研究工作不仅仅从理论上取得了一些突破,而且从实验上也得到了支撑,为实现细胞快速成像和实时测量提供了更多的选择,也为细胞更深入的定量检测研究提供了参考。