[发明专利]一种定量数字显微相衬成像的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种定量数字显微相衬成像的方法，具体地说，是一种在普通数字光学显微镜平台上，不需要增加复杂的光学部件，基于数值算法实现相衬成像，提高透明或半透明样本成像的衬度，属于显微光学成像技术领域。

(二)背景技术

生物学及医学研究中，经常需要观察一些很重要的透明生物体或组织(如细胞)，由于光通过这类物体以后强度不发生显著变化，而相位会发生偏移，用普通透射显微镜成像时，生物体的结构将消失在其周围的介质中。为了在光学显微镜下观察与研究这类生物体，研究人员一般采用染色的办法，但是这种办法会给有机体的生命力带来有害的影响，而且多数沾染程序都需要对细胞或组织进行固定，这通常是比较复杂和困难的。相衬显微镜能够把光通过透明生物体后相位的变化转换为强度信息，从而方便观察透明组织的结构信息，因此在生物学、医学、材料学和晶体学等领域得到广泛应用。

但是，相衬显微镜需要昂贵、复杂的光学部件，且不同倍数的物镜需要不同相衬器件，调整困难；另外，利用相衬显微镜虽可以观察相位样本，却不能直接从观测样本图像定量地分析出相位信息。一种更好的方法就是把光通过透明生物体后相位的变化转换为强度信息来观察透明生物体的结构信息，这就是光学显微镜应用中的相位恢复问题。

相位恢复是数字显微相衬成像的关键技术。根据获取方式，显微相位恢复方法可以分为直接法和间接法。直接法是经典的、传统的相位恢复方法，如M.弗朗松著(张炳勋译)“相衬显微镜与干涉显微镜”文中所介绍的泽尔尼克相衬法。直接法是在显微镜上安装特定的光学部件，把相位样本结构所引起的相差信息转化为光强度信息，直接显示出来。该方法的缺点是这些光学部件昂贵、复杂，且不同倍数的物镜需要不同相衬器件，调整困难；另外，直接法虽可以提供好的相位样本的观察图像，但是不能直接地从观测样本图像定量地分析出相位信息。随着信息光学技术的发展，由光强度来恢复光相位的间接方法受到研究人员的重视，与直接相位恢复方法相比较，该类方法不需要复杂的光学部件，一般也不需要强的光源相干性。由光强度分布恢复相位的方法大体可分为两类：迭代相位恢复算法体系和基于光强度传输方程(Transport of Intensity Equation，TIE)的相位恢复方法。由于迭代算法存在收敛性、解的存在性和唯一性等问题，在定量显微相位恢复及相衬成像领域，一般采用基于光强度传播方程的方法来恢复光的相位信息，如C.J.，贝拉尔、C.L.柯尔、B.E.阿尔曼等所著的“定量相位幅值显微镜IV：厚样本成像.”文中通过建立并求解光强度传送方程恢复相位信息。基于光强度传输方程(Transport of Intensity Equation，TIE)的方法通过引入一个辅助函数，可以把光强度传输方程转化为一个二维Poisson方程。由于二维相位恢复问题的边界区域为矩形区域，离散化后的Poisson方程的块结构非常有规则，因此可用T.E.古热逸夫，K.A.纽根特.“利用光强度传播方程实现快速定量相位成像”中所描述的离散的Fourier分析方法或薛斌党、郑世玲、姜志国所著的“完全多重网格法求解光强度传播方程的相位恢复方法”文中所描述的多重网格方法(Multigrid method，MG)求解光强度传输方程。但是，如L.J.阿雷恩，M.P.奥克雷所著的.“基于错焦图像序列的相位恢复.”文中所分析的Fourier变换方法求解TIE实现相位恢复是一种近似数值解法，对复杂分布相位，该方法可能无法得到正确的结果。一般多重网格法求解光强度传输方程时，在每层网格上都需要给定初值，然后用Jacobi迭代法或者Gauss-Seidel迭代法解此层网格上的线性方程组，初值的选择影响光滑迭代的效率。初值接近真实解，算法迭代收敛速度会越快，否则，需要足够的循环后，才能达到所需收敛的收敛状态。

目前，国内在显微成像领域，定量相位恢复及其成像技术的研究和应用还是空白。在国外，IATIA公司(www.iatia.org.au)2002年推出了一个具有一定的定量相差分析功能的显微成像系统，并申请了专利，如K.A.纽根特，D.帕盖因，Anton，巴尔特.“辐射波场的相位测定”。但是，该系统仍然需要一个结构复杂、价格昂贵的相差管来获取显微图像序列；另外，该系统求解光强度传送方程时需要做严格的先验假设条件，而且定量相位恢复算法对噪声鲁棒性比较差。

(三)发明内容