便携式多模式显微成像技术研究与装置设计

作     者：邵梦 

作者单位：安徽医科大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周金华

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：计算成像 倾斜照明 多模式显微镜 便携式装置 

摘      要：随着显微成像技术的不断发展,光学显微成像已经从单一的明场逐渐发展出暗场、偏光、相衬、微分干涉、荧光等一系列技术。目前,明场、暗场和相衬显微镜仍然是使用最广泛的成像方法,但对于半透明的样品,如未标记的细胞和薄的组织标本,明场成像方法难以获得理想的实验图片。采用超过光学成像系统数值孔径对应角度的照明光,可以实现暗场成像,从而产生高对比度图像。此外观察到相位细微变化的细胞器,需要微分干涉和相衬成像方法。不管是暗场还是微分干涉和相衬成像方法均需要添加额外的光学元件,这样的显微镜一般体积比较大,价格并且昂贵,难以满足乡村基层医疗检验需求,更无法应用于移动医疗和野战医疗。因此,开发一款能同时实现多模式成像且便携的显微镜,将对乡村基层医疗和野战医疗临床检验的发展具有重要意义。此外,若集成自动聚焦和扫描成像将更有利于与简化检验人员的操作复杂度,降低人为误差。针对上述需求及问题,本文围绕成像技术的研究与便携式装置的设计进行探索,结合商用奥林巴斯IX73显微镜研究定量评估遮光比对倾斜照明显微成像的影响,通过步进电机驱动滑动光阑,逐步增加成像照明的遮光比,同时采集图像,使用局部对比度和拉普拉斯矩阵方差来定量评估成像质量,找到最佳的倾斜照明遮光比,从而类似DIC的成像效果。该研究在成像中不需要插入复杂光学元件,且不会进行大量计算。因此可以用于实时监测,在降低成本的同时有效提高图像衬度,其有望为生物样品检测和实时高对比度细胞监测提供新的思路。此外,将奥林巴斯IX73显微镜光源替换为编码LED阵列进行照明,通过计算照明角度高度照明孔径的关系,灵活调整LED照明模型,实现了明场、暗场、倾斜照明、差分相衬及定量相位成像。不仅如此,我们还讨论了单次曝光实现多模式成像的方法。同时,我们制作了一套便携式多模式全自动的显微镜成像系统。整个装置尺寸为266*216*216厘米。采用自制的球面LED阵列进行编码照明,可同时实现明场、斜照明、差分相衬和暗场多种模态成像。通过机械设计、单片机控制和自编控制软件,实现了微型化二维电控显微平台。采用改进过的Roberts梯度函数值判断成像质量,获得最佳成像面。结合电机控制,实现了便携式全自动聚焦和扫描成像。同时,开发了一套完整的基于Lab VIEW的便携式多模式显微成像系统的控制程序,可实现对显微镜系统的照明调制、相机参数调节、二维扫描运动控制、自动聚焦控制、多模式实时成像以及实验图像个性化拍摄保存及录像。最后,对系统各个部分进行测试,通过小鼠睾丸组织切片及USAF1951分辨率板样品验证了系统的准确性和可靠性。该装置实现低成本、操作简单且便携的优势,为资源匮乏地区及野战移动医疗情况下提供即时诊断工具。