生物活细胞的无损定量数字全息显微成像方法研究

数字全息术能够获取衍射光场的定量相位分布并据此实现相位物体的结构形貌测量。本项目研究采用数字全息显微方法对无标记的生物活细胞进行高分辨率相衬成像，获取细胞形态、生理学参数和动态特性等定量信息，用于细胞的药效反应分析和评价。.针对活细胞生长制备与装载的特殊实验条件，利用焦深、景深和空间分辨率、视场的内在制约关系优化数字全息显微成像系统。采用衍射传播的中间平面和直接积分快速计算方法实现高分辨率高保真再现，以解决现有再现算法分辨率受限于系统参数的问题。结合透明样品的复振幅分布特性，发展基于相位分布信息的聚焦判定准则，改善聚焦的准确度和可靠性，建立合理的像差校正数学模型。引入部分相干光照明降低相干噪声，提高系统的相位测量精度。本项目的开展将为现代生物医学和生命科学的无损可视化研究提供一种高分辨率、动态连续的活细胞定量检测手段。

数字全息术能够获取衍射光场的定量相位分布并据此实现相位物体的结构形貌测量。本项目采用数字全息显微方法对无标记的生物活细胞进行高分辨率相衬成像，获取细胞形貌和动态特性等定量信息。理论推导了数字全息成像系统的分辨率、焦深和系统实验参数的内在制约关系；提出了基于全息图频谱移中心的一次相位畸变校正和基于曲面拟合的二次位相畸变校正算法，两种校正方法均仅需记录单幅全息图，无需精确测量实验中的光学参数。发展了实时二次相位畸变校正方法，降低了数值计算的复杂度。提出了多角度无透镜傅里叶变换数字全息散斑抑制方法，大大提高了图像信噪比。提出了将判据函数直接应用于相位像上的自动聚焦算法，结果显示该方法的聚焦更加准确。.针对活细胞生长制备与装载的特殊实验条件，结合光纤搭建了倒置式紧凑型数字全息显微成像系统，开展了一系列的活体细胞相衬成像实验研究。获得了老鼠大脑海马区神经元活细胞的形貌特征，可为研究海马区神经元细胞的活动对于记忆的运作机制等方面提供生物参数依据；对活体宫颈癌细胞的生长状态进行了检测，结合图像分割技术得到了宫颈癌细胞生长的细胞密度参数，为自动无损的细胞培养状态监测提供了新的方法；长时间动态观测了活体细胞在不同外界环境下和药物作用下宫颈癌细胞的形态变化过程。本项目的开展为现代生物医学和生命科学的无损可视化研究提供了一种高分辨率、动态连续的活细胞定量检测手段。