[發(fā)明專利]基于光強(qiáng)傳輸方程的相襯與微分干涉相襯的顯微成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811396945.4
• 申請日: 2018-11-22
• 公開（公告）號(hào): CN109581645B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 左超;盧林芃;陳錢;孫佳嵩;范瑤;李加基
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B21/36
• 分類號(hào): G02B21/36;G06F17/11;G06T11/00
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

本發(fā)明公開了一種基于光強(qiáng)傳輸方程的相襯與微分干涉相襯的顯微成像方法，首先沿光軸采集三幅強(qiáng)度圖像；其次利用反卷積求解光強(qiáng)傳輸方程得到定量相位圖；而后根據(jù)微分干涉相襯成像原理獲得該成像模態(tài)下的光強(qiáng)圖；最后根據(jù)相襯成像原理求解對(duì)應(yīng)的相位傳遞函數(shù)從而獲得該成像模態(tài)下的光強(qiáng)圖。本發(fā)明可在無需對(duì)傳統(tǒng)明場顯微鏡進(jìn)行復(fù)雜改造的前提下，賦予明場顯微鏡實(shí)現(xiàn)相襯與微分干涉相襯成像的能力，即只需使用普通的傳統(tǒng)明場顯微鏡，無需添加任何復(fù)雜器件，通過相襯與微分干涉相襯算法以定量、高速、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、受外界干擾少的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)與成本昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境條件要求嚴(yán)苛的相襯顯微鏡、微分干涉相襯顯微鏡相同的成像效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)顯微測量、成像技術(shù)，特別是基于光強(qiáng)傳輸方程的相襯與微分干涉相襯的顯微成像方法。

背景技術(shù)

在生物醫(yī)學(xué)顯微成像領(lǐng)域，大部分樣本都屬于相位物體——振幅透射率分布均勻，而折射率或厚度分布不均。因此當(dāng)光波通過相位物體時(shí)，波長和振幅變化甚微，而相位改變極大(Schmalz J A,Gureyev T E,Paganin D M,et al.Phase retrieval usingradiation and matter-wave fields:Validity of Teague's method for solution ofthe transport-of-intensity equation[J].Physical review A,2011,84(2):023808.)。但人眼與光學(xué)探測器無法觀察到這種帶有重要信息的相位差。針對(duì)此難題，學(xué)術(shù)界通常是采取對(duì)樣本進(jìn)行染色的方法。利用細(xì)胞內(nèi)不同組分對(duì)不同化學(xué)或熒光染料的不同親和性，形成足夠大的光強(qiáng)反差或生成不同的光譜，從而達(dá)到細(xì)胞成像的目的。目前廣泛采用的熒光顯微技術(shù)與激光共聚焦顯微技術(shù)通過選擇性標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)的特異性分子以顯示細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能特性。然而無論是傳統(tǒng)染料染色方法還是熒光標(biāo)記染色方法，都由于標(biāo)記手段對(duì)細(xì)胞具有損害而無法長時(shí)間觀察活細(xì)胞，因此不利于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的細(xì)胞研究(Sarder P,Nehorai A.Deconvolution methods for 3-D fluorescence microscopy images[J].IEEE Signal Processing Magazine,2006,23(3):32-45)。

在對(duì)活細(xì)胞動(dòng)態(tài)顯微成像的研究中，無標(biāo)記成像是一種有效的成像方式。其可分為相位可視化法與相位測量法。其中最常見的相位可視化法是相襯(Phase Contrast，簡稱PC)顯微成像與微分干涉相襯(Differential Interference Contrast，簡稱DIC)顯微成像。1935年荷蘭科學(xué)家Zernike利用相襯顯微成像技術(shù)發(fā)明了相襯顯微鏡，把通過物體不同部分的光程差轉(zhuǎn)變?yōu)檎穹?光強(qiáng)度)的差別，可獲得具有高襯度的相位圖像而實(shí)現(xiàn)對(duì)未染色標(biāo)本的觀測(左超,陳錢,孫佳嵩.基于光強(qiáng)傳輸方程的非干涉相位恢復(fù)與定量相位顯微成像:文獻(xiàn)綜述與最新進(jìn)展[J].中國激光,2016,43(6):0609002.)。但此法可獲得定性相位圖像，不涉及定量分析，需要使用特殊的帶有環(huán)狀光闌的聚光鏡和帶有相位片的相襯物鏡，裝置復(fù)雜，價(jià)格昂貴。2015年美國的Laura waller課題組提出了基于陣列光源的結(jié)構(gòu)光照明數(shù)字相襯技術(shù)，該方法利用LED陣列獲得不同照明方向的顯微圖像，通過數(shù)字相襯算法合成數(shù)字相襯顯微圖像。此法結(jié)構(gòu)簡單，可以快速得到定量相襯圖像。但是由于受光源數(shù)值孔徑的限制，對(duì)相位物體(細(xì)胞等)成像效果不佳(Tian L,Waller L.Quantitativedifferential phase contrast imaging in an LED array microscope[J].Opticsexpress,2015,23(9):11394-11403.)。2017年廣東歐譜曼迪科技有限公司提出了一種雙通道結(jié)構(gòu)光數(shù)字相襯顯微成像系統(tǒng)(CN206920698U)，通過兩個(gè)相機(jī)組成的圖像采集模塊進(jìn)行圖像的同步采集降低了外界擾動(dòng)，具有受外界干擾少，可實(shí)時(shí)獲得相襯圖的特點(diǎn)。但是，該方法需要添加非偏振分光棱鏡與額外的相機(jī)，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加。