[發(fā)明專利]一種基于微流控無透鏡成像的紅細胞識別與姿態(tài)估計方法

有效

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• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113176230B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設計）人: 李建偉;吳銀峰;余寧梅;戴力
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 寧文濤

1.一種基于微流控無透鏡成像的紅細胞識別與姿態(tài)估計方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：

步驟1、制備含有紅細胞的生物細胞樣品；

步驟2、將生物細胞樣品通入到微流控芯片中，并將微流控芯片放置于無透鏡成像系統的CMOS圖像傳感器上；

步驟3、打開無透鏡成像系統的單色光源，使光線照射在微流控芯片上；

步驟4、打開圖像采集裝置，利用CMOS圖像傳感器采集紅細胞的衍射圖像；

步驟5、根據無透鏡成像系統的成像原理及特點，建立菲涅爾直邊衍射模型；

所述步驟5具體為：

由于無透鏡系統中光源到成像面的距離為有限距離，其衍射原理符合菲涅爾衍射，又因為紅細胞為準球形細胞，其衍射邊緣不是標準圓，因此符合直邊菲涅爾衍射，衍射發(fā)生在以銳利直邊為界的半無限平面上，成像平面上的光強I即直邊菲涅爾衍射模型表示為：

式(1)中，I₀是平均光強，C(w)、S(w)為菲涅耳積分；

C(w)、S(w)表示為：

式(3)中，r'是光源到生物細胞樣品的距離，s'是生物細胞樣品到CMOS圖像傳感器的距離，x是紅細胞的衍射圖像中衍射環(huán)到真實紅細胞邊界的距離，λ為光波長；

由于在無透鏡成像系統中光源到生物細胞樣品的距離趨近于無窮大，因此，w被簡化為將簡化后的w代入式(1)即可得到簡化后的直邊菲涅爾衍射模型；

步驟6、根據菲涅爾直邊衍射模型，建立弧邊衍射模型；

所述步驟6具體為：

由于弧邊衍射具有較大的擴散空間，因此衍射光強的衰減比直邊衍射光強的衰減大；基于直邊菲涅耳衍射，考慮振幅衰減，弧邊衍射光強分布即弧邊衍射模型表示為

式(4)中，I_arc為弧邊衍射光強，α是衰減系數；

根據弧邊衍射光強積分面積與直邊衍射光強積分面積之差得到

其中R_arc是弧邊的半徑，x是弧邊到弧中心的距離，因此，衰減系數α表示為

步驟7、考慮衍射疊加，建立紅細胞識別與姿態(tài)估計模型；

所述步驟7具體按照以下步驟實施：

步驟7.1、根據菲涅爾衍射理論，衍射圖像的譜線寬度大于細胞直徑，因此，紅細胞衍射圖像是多位置衍射疊加的結果，衍射疊加會影響紅細胞衍射圖像的光強分布，以紅細胞的中心為坐標原點，紅細胞的衍射圖像的疊加光強分布即無透鏡成像光強模型表示為：

式(7)中，I_cell是準球細胞的衍射圖的絕對光強分布；

步驟7.2、建立紅細胞識別與姿態(tài)估計模型

根據菲涅耳-基爾霍夫衍射公式，單色波的點源P0通過平面不透明屏幕中的開口傳播在紅細胞發(fā)生衍射的邊緣P處的總擾動，即待確定的光擾動為

式(8)中，δ是P0P線與屏幕法線之間的角度；

根據固定相位法的原理，當點(ξ,η)探索積分域時，函數f(ξ,η)會改變，被積函數的實部和虛部都會多次改變符號，因此，各元素的貢獻通常會相互抵消，相消干涉，但對于一個靜止點的元素來說，該靜止點稱為臨界點或極點，其被積函數的變化很慢，各元素的貢獻不會相互抵消，光擾動增加；

確定紅細胞的鞍點A、A'、B、B'即為靜止點，鞍點A、A'、B、B'均位于紅細胞的圓盤邊緣，紅細胞的圓盤為上下面凹陷的圓盤形狀，AA’的連線和BB'的連線均為圓盤直徑且相互垂直，當紅細胞以BB'為軸翻轉，由于紅細胞轉動會在B和B'處引入額外的光擾動，B和B'點對應于紅衍射圖像的第一亮環(huán)的最小光強點，而在A和A'處，光擾動很小，衍射光強基本不變，A和A'對應于衍射圖像的第一亮環(huán)的最大光強點，因此，將該特點作為紅細胞識別模型用于紅細胞識別，即，當BB'方向上有兩個光強最小點，AA'方向上有兩個光強最大點時，則該細胞為紅細胞；

由于紅細胞的形狀是雙凹圓盤，在紅細胞翻轉到細胞圓盤表面與光源方向平行時，A和A'位置的光強度降為最小光強值， 因此，將該特點作為紅細胞姿態(tài)估計模型用于紅細胞姿態(tài)估計，即，當第一亮環(huán)的最大光強點光強降低至最小光強時，則紅細胞圓盤表面與光源方向平行，并計算細胞在翻轉過程中的第一亮環(huán)的最大光強點光強，計算方式如下：使用圓形霍夫變換查找衍射圖象的中心坐標，并統計穿過中心坐標，且平行于AA'的一行像素值大小，得到其中的像素值的最大值，便能得到第一亮環(huán)的最大光強點光強；

將平行于光源方向的細胞盤圓面的位置定義為初始位置，假設紅細胞圓盤表面與光源方向平行時第一亮環(huán)的最大光強點光強為k₁，紅細胞圓盤表面與光源方向垂直時第一亮環(huán)的最大光強點光強為k₂，需要估計的細胞姿態(tài)的第一亮環(huán)的最大光強點光強為i，則細胞的翻轉角度β_i表示為：

步驟8、采集紅細胞的衍射圖樣，利用紅細胞識別與姿態(tài)估計模型識別出紅細胞并估計出紅細胞在微流控中的姿態(tài)。