基于白光相移衍射相位层析的组织折射率方差测量理论与方法

The project is proposed to study the direct relation between refractive index variance and optical characteristic parameters in tissues, and realize the measurement of refractive index variance with less restriction, high speed, high precision and practical. Using statistical dispersion relation, a theoretical model is established to connect the refractive index variance and 3D quantitative phase data. The refractive index variance can be then directly obtained through the measurable 3D phase data. By applying image synthesis and division between complex distribution with sample and free sample, fast slice phase retrieval in white-light phase-shifting diffraction phase microscopic tomography can be achieve using Fourier transform. The resolution of the slice phase can be improved using virtual spatial overlap modulation. Finally, 3D quantitative phase data can be obtained using white-light phase-shifting diffraction phase microscopic tomography with high speed and resolution, and then be used to extract the variance of the refractive index in tissues.The achievement of the project will provide a novel model and method for the analysis and measurement of the tissue refractive index, and then help to improve the theory and measurement method in tissue optics. The project has an exciting application in biopsy and pathology.

面向组织光学研究过程中亟待揭示的组织折射率与光学特性参数直接关联的重要科学问题，结合发展约束条件少、快速、精确而又实用的组织折射率方差测量方法的迫切需要，本项目基于统计色散关系理论，研究组织折射率方差与三维定量相位分布的关联机理，实现利用可测量的组织三维相位直接再现折射率方差；同时，利用图像综合技术和有无待测样品复振幅相除技术，结合傅里叶变换法，实现白光相移衍射相位层析断层实时无相位像差再现，并利用虚拟空间重叠调制技术，实现断层相位分辨力增强；进而利用白光相移衍射相位层析实现三维相位高分辨快速定量成像，以完成典型组织切片的折射率方差测量。该项目的完成，将形成一种无需染色、也无需逆散射问题求解或厚度等先验知识的组织折射率方差分析与测量的新理论与方法，为组织光学理论体系和测试方法的完善提供有力的参考，并在活检和病理学研究等领域具有重要应用价值。

面向组织光学研究过程中亟待揭示的组织折射率与光学特性参数直接关联的重要科学问题，结合发展约束条件少、快速、精确而又实用的组织折射率方差测量方法的迫切需要，本项目基于统计色散关系理论，建立了组织的折射率方差与三维相位分布的关系模型，实现利用可测量的组织三维相位直接再现折射率方差；同时，利用图像综合技术和有无待测样品复振幅相除技术，结合傅里叶变换法，实现了白光相移衍射相位层析断层实时无相位像差再现，并利用希尔伯特-黄变换等技术，实现了断层相位成像能力增强；进而构建了白光衍射相位层析系统，实现断层全视场再现速度优于25帧/秒，并利用白光衍射相位层析实现三维相位高分辨快速定量成像，完成了神经元、结肠、乳腺癌等典型组织切片的折射率方差测量。本项目的完成，形成了一种无需染色、也无需逆散射问题求解或厚度等先验知识的组织折射率方差分析与测量的新理论与方法，为组织光学理论体系和测试方法的完善提供了有力的参考，并在活检和病理学研究等领域具有重要应用价值。