无透镜显微成像及细胞检测关键技术研究

论文摘要

无透镜显微成像技术是近十年发展起来的新兴显微技术,因其省去透镜仅使用图像传感器,具有体积小、系统可集成性强的突出特点,为便携式细胞显微和检测仪器的开发提供了较好方案,具有广阔的应用前景。但是,无透镜显微成像技术也存在衍射、低分辨率等问题,采集的图像难以直接应用于细胞检测。因此,提高系统成像质量并对图像信息进行实时处理是满足即时检测需求的便携式细胞检测仪亟待解决的问题。围绕以上关键问题,本文主要开展了以下4个方面的研究:1、为了提升无透镜显微的成像质量,首先建立光路模型,研究了无透镜成像系统的成像机理,明确了接触成像和同轴全息显微成像的条件。进一步分析了无透镜同轴全息显微的成像记录过程,分析无透镜同轴全息系统主要设计参数选择。提出了一种基于相位初值约束的迭代同轴全息再现算法,使孪生像抑制算法的运算速度和鲁棒性有了明显提升;2、为了提高无透镜显微图像的空间分辨率,研究了无透镜同轴全息显微系统中提升活细胞图像分辨率的方法。利用数字图像中的超分辨率重建技术,针对活细胞提出了基于布朗运动的提高图像空间分辨率方法。最终,通过实验验证该方法能够在不增加系统体积的情况下实现8倍超分辨率,解决了原始图像分辨率过低的问题;3、研究了无透镜同轴全息显微系统下细胞图像分类方法。采用PPED传统图像特征提取方法,利用特征向量的距离搜索实现了白细胞三分类。进一步使用CNN算法对白细胞进行分类,20×光镜采集的白细胞图像的三分类准确率能够达到97.78%。另外,提出了一种基于全息像的白细胞分类方法,在无透镜同轴全息显微系统下,白细胞三分类的准确率能够达到87.65%;4、提出一种基于无透镜同轴全息显微系统的流式细胞计数方法。开发了应用于无透镜显微成像系统的PDMS微流控芯片制造工艺,并制备了微流控芯片。在此基础上,设计了 PDMS微流控芯片和无透镜显微成像技术相结合的流式细胞计数芯片。采用提出的方法对血细胞进行了计数测试,其结果与全自动血细胞分析仪BC-5180的结果对比,其计数相对误差小于3%。通过上述研究,降低了无透镜同轴全息显微系统中数字全息再现算法的迭代次数,提高了稳定性;利用细胞在液体中固有的布朗运动,实现了无透镜系统下细胞图像分辨率的提升;在此基础上,针对白细胞图像分类进行了研究,提出了基于卷积神经网络的全息细胞图像分类方法;通过结合无透镜同轴全息显微成像技术和微流控技术,提出了高精度细胞计数方案。这些研究,提升了无透镜显微成像系统的实用性,拓展了图像传感器的应用范围,增加了细胞检测技术手段。根据上述研究,基于无透镜显微成像技术能够实现一种小体积的片上细胞检测系统,为微流控技术提供了新的成像方案,为细胞检测技术的微型化提供了思路,为微电子技术和细胞检测技术相结合提供了可能。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 无透镜显微成像技术研究进展
•   1.3 无透镜显微成像存在的问题
•     1.3.1 无透镜显微成像存在的问题
•     1.3.2 现有的解决衍射问题的方法
•   1.4 研究内容
•   1.5 论文结构
• 2 无透镜同轴全息显微成像系统研究
•   2.1 无透镜同轴全息显微成像系统模型
•     2.1.1 传统光学显微镜成像原理
•     2.1.2 无透镜同轴全息成像原理
•     2.1.3 无透镜同轴全息显微成像系统的光路分析
•     2.1.4 无透镜同轴全息显微的记录距离及测量
•     2.1.5 无透镜同轴全息的距离条件
•   2.2 无透镜同轴全息成像
•     2.2.1 同轴全息技术
•     2.2.2 数字全息图采集
•     2.2.3 无透镜同轴全息系统搭建及空间分辨率测试
•   2.3 无透镜同轴全息图的再现优化
•     2.3.1 无透镜同轴全息再现技术存在的问题
•     2.3.2 无透镜同轴全息细胞平面聚焦像的再现方法优化
•     2.3.3 无透镜同轴全息细胞平面聚焦像的再现优化仿真结果
•   2.4 本章小结
• 3 无透镜显微系统中成像分辨率提高方法研究
•   3.1 无透镜显微系统成像分辨率提高概述
•     3.1.1 已有的无透镜显微成像系统提高分辨率方法
•     3.1.2 基于布朗运动的活细胞图像超分辨率重建方法
•   3.2 无透镜同轴全息显微系统中图像配准方法研究
•     3.2.1 图像配准概述
•     3.2.2 几种常见的亚像素位移估计
•     3.2.3 无透镜显微成像下细胞全息图像配准仿真实验
•   3.3 无透镜同轴全息显微系统中图像超分辨率重建方法研究
•     3.3.1 图像超分辨概述
•     3.3.2 图像超分辨率重建的频域方法
•     3.3.3 图像超分辨率重建的空域方法
•     3.3.4 超分辨率重建仿真实验
•   3.4 基于布朗运动的细胞图像分辨率提高方法研究
•     3.4.1 液体中细胞的布朗运动
•     3.4.2 无透镜同轴全息显微成像系统下的超分辨率算法
•     3.4.3 基于布朗运动的无透镜同轴全息显微成像装置设计
•     3.4.4 基于布朗运动的活体细胞图像超分辨率重建实验结果及分析
•   3.5 本章小结
• 4 无透镜显微成像系统中血细胞图像分类方法研究
•   4.1 血细胞检测概述
•     4.1.1 血细胞分类
•     4.1.2 白细胞分类
•   4.2 无透镜显微成像系统下基于传统方法的白细胞分类研究
•     4.2.1 无透镜显微成像系统下的白细胞三分类的方法
•     4.2.2 无透镜白细胞传统方法三分类实验结果
•   4.3 基于卷积神经网络的血细胞分类识别
•     4.3.1 卷积神经网络概述
•     4.3.2 卷积神经网络基本结构
•     4.3.3 卷积神经网络对白细胞图像分类研究
•   4.4 无透镜同轴全息显微系统下白细胞分类研究
•     4.4.1 白细胞灰度图像的分类
•     4.4.2 白细胞低分辨图像分类
•     4.4.3 白细胞无透镜同轴全息图像分类
•   4.5 本章小结
• 5 基于无透镜同轴全息显微成像的血细胞检测系统研究
•   5.1 无透镜同轴全息血细胞显微片上系统搭建
•     5.1.1 微流控芯片概述
•     5.1.2 微流控芯片设计及模具加工
•     5.1.3 PDMS微流控芯片制作工艺
•   5.2 基于无透镜同轴全息显微技术的高精度血细胞流式计数片上系统研究
•     5.2.1 细胞计数方法概述
•     5.2.2 基于无透镜显微成像技术的高精度血细胞计数片上系统搭建
•     5.2.3 血细胞计数方法
•     5.2.4 血细胞计数结果
•   5.3 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间所发表的论文、专利和参与的项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 方元

导师: 余宁梅

关键词: 无透镜显微成像,图像传感器,同轴全息再现,细胞全息像分类,流式细胞计数芯片

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,计算机软件及计算机应用

单位: 西安理工大学

分类号: Q6-33;TP391.41

DOI: 10.27398/d.cnki.gxalu.2019.000037

总页数: 125

文件大小: 12700k

下载量: 60