CN108570409A - 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法 - Google Patents

基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108570409A
CN108570409A CN201810187051.8A CN201810187051A CN108570409A CN 108570409 A CN108570409 A CN 108570409A CN 201810187051 A CN201810187051 A CN 201810187051A CN 108570409 A CN108570409 A CN 108570409A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cell
optical fiber
computer
phase
digital
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810187051.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108570409B (zh
Inventor
陈艳
俞小进
曾德祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GUANGZHOU BOSMA OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Original Assignee
GUANGZHOU BOSMA OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GUANGZHOU BOSMA OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd filed Critical GUANGZHOU BOSMA OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority to CN201810187051.8A priority Critical patent/CN108570409B/zh
Publication of CN108570409A publication Critical patent/CN108570409A/zh
Priority to PCT/CN2018/110992 priority patent/WO2019169871A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108570409B publication Critical patent/CN108570409B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48735—Investigating suspensions of cells, e.g. measuring microbe concentration
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10056—Microscopic image

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提出一种基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法，涉及细胞检测技术领域，该装置包括激光光源发射单元、图像采集单元、载物台和计算机，其中，所述载物台上端平面设置有用于放置细胞液的透明载物窗口，激光光源发射单元设置于载物窗口下端，图像采集单元设置于载物窗口上端，图像采集单元的输出端连接计算机的输入端；本发明根据细胞及其环境介质对光具有不同折射率，通过细胞的光相对于通过环境介质的光在相位上会发生变化，确定细胞液全息图，通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像，利用反正切运算得到细胞真实相位图；根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性；实现对生物细胞的非侵入、无损伤的定量成像。

Description

基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法
技术领域
本发明涉及细胞检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法。
背景技术
现阶段对生物细胞的研究主要包括对细胞的大小分布、形体特征、细胞内外生物物质分布以及细胞动力学行为的研究。但大部分生物细胞本身无色透明，采用普通光学显微技术难以实现细胞的清晰成像，为克服这一困难，常用染色技术改变细胞的颜色和亮度，但这会对细胞造成损伤，影响细胞性能及动力学行为。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法，旨在实现对生物细胞的非侵入、无损伤的定量成像。
为了实现上述目的，本发明提出一种基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置，该装置包括激光光源发射单元、图像采集单元、载物台和计算机，其中，所述载物台上端平面设置有用于放置细胞液的透明载物窗口，激光光源发射单元设置于载物窗口下端，图像采集单元设置于载物窗口上端，图像采集单元的输出端连接计算机的输入端。
优选地，所述的激光光源发射单元，包括：激光光源和单模光纤，激光光源发射激光，激光通过单模光纤传输至载物台的透明载物窗口。
优选地，所述的图像采集单元采用图像传感器，图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机中。
优选地，所述的激光通过单模光纤传输至载物台的透明载物窗口，具体为：激光通过单模光纤照射透明载物窗口的细胞液，形成细胞液全息图。
优选地，所述的图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机中，具体为：图像传感器采集全息图，将全息图的光强进行记录并输入计算机中。
优选地，所述的计算机，通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像，利用反正切运算得到细胞真实相位图，根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性。
采用基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置进行的检测方法，包括如下步骤：
启动激光光源，激光通过单模光纤照射透明载物窗口的细胞液，获得细胞液全息图；
图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机中；
计算机通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像；
计算机利用反正切运算得到细胞真实相位图；
计算机根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性。
优选地，所述的计算机利用反正切运算得到细胞真实相位图，具体为：对细胞光波进行反正切运算，获得包裹相位，利用解包裹相位得到细胞真实相位图。
优选地，所述的计算机根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性，具体为：细胞折射率越低，细胞活性越低。
本发明提出一种基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法，本发明根据细胞及其环境介质对光具有不同的折射率，通过细胞的光相对于通过环境介质的光在相位上会发生变化，确定细胞液全息图，通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像，利用反正切运算得到细胞真实相位图；根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性；这样实现对生物细胞的非侵入、无损伤的定量成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例中基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置结构示意图；
图2为本发明一种实施例中基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测方法流程图；
图3为本发明一种实施例中通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像；
图4为本发明一种实施例中细胞真实图像；
图5为本发明一种实施例中细胞真实相位差随距离变化的曲线图；
图6为本发明一种实施例中细胞液静置一定时间后细胞相位图；
标号说明：
1-激光光源发射单元，2-图像采集单元，3-载物台，4-计算机，5-透明载物窗口，101-激光光源，102-单模光纤；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置；
本发明一种优选实施例中，如图1所示，该装置包括激光光源发射单元1、图像采集单元2、载物台3和计算机4，其中，所述载物台3上端平面设置有用于放置细胞液的透明载物窗口5，激光光源发射单元1设置于载物窗口5下端，图像采集单元2设置于载物窗口5上端，图像采集单元2的输出端连接计算机4的输入端。
本发明一种优选实施例中，如图1所示，所述的激光光源发射单元1，包括：激光光源101和单模光纤102，激光光源101发射激光，激光通过单模光纤102传输至载物台3的透明载物窗口5，具体为：激光通过单模光纤102照射透明载物窗口5的细胞液，形成细胞液全息图。
本发明一种优选实施例中，所述的图像采集单元2采用图像传感器，图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机4中，具体为：图像传感器采集全息图，将全息图的光强进行记录并输入计算机中。
本发明一种优选实施例中，所述的计算机4，通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像，利用反正切运算得到细胞真实相位图，根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性。
采用基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置进行的检测方法；
本发明一种优选实施例中，如图2所示，包括如下步骤：
S10、启动激光光源，激光通过单模光纤照射透明载物窗口的细胞液，获得细胞液全息图；
本发明实施例中，启动激光光源(单色激光波长为405nm)，激光经单模光纤传输至载物台，其输出光斑为1μm，数值孔径为0.13，可近似等效为点光源。其次点光源发出球面波，照射放置在载物台上一定浓度的细胞液，由于细胞与其周围环境介质的折射率不同，所以通过细胞的光相对于通过周围环境介质的光在相位上发生变化，构成了相位差，使得发生变化的细胞光波与原来未发生变化的参考波干涉叠加形成全息图；全息图的光强大小由下式计算可得：
I(x,y)＝|O(x,y)+R(x,y)|2＝
O(x,y)O(x,y)*+R(x,y)R(x,y)*+O(x,y)R(x,y)*+R(x,y)O(x,y)* (1)
其中，O(x,y)为样品光，R(x,y)为参考光，*为共轭符号；
S20、图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机中；
S30、计算机通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像；
图像传感器(CCD)将全息图的光强记录下来并输入计算机，计算机通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像，如图3所示；
S40、计算机利用反正切运算得到细胞真实相位图；具体为：对细胞光波进行反正切运算，获得包裹相位，利用解包裹相位得到细胞真实相位图；
对细胞光波(样品光)O(x,y)进行反正切运算，获得包裹相位如下式：
其中，Im为取函数虚部，Re为取函数实部；
再利用解包裹相位得到细胞真实相位图。如图4所示，图5为相位差随距离变化的曲线图；
S50、计算机根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性。
又因为相位差与细胞和周围环境介质的折射率差成正比，如下式：
其中，为细胞相位差，ΔOPL为光程差，nobj(x,y)为细胞折射率，nm为细胞周围环境介质折射率，hobj(x,y)为细胞厚度；
将细胞液静置一定时间后，再次观察细胞相位图，可知相位差发生了变化(如图6所示)，由相位差与折射率差(细胞折射率与环境折射率的差值)成正比可知，细胞折射率降低，细胞失去活性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置，其特征在于，该装置包括激光光源发射单元、图像采集单元、载物台和计算机，其中，所述载物台上端平面设置有用于放置细胞液的透明载物窗口，激光光源发射单元设置于载物窗口下端，图像采集单元设置于载物窗口上端，图像采集单元的输出端连接计算机的输入端。
2.根据权利要求1所述的基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置，其特征在于，所述的激光光源发射单元，包括：激光光源和单模光纤，激光光源发射激光，激光通过单模光纤传输至载物台的透明载物窗口。
3.根据权利要求1所述的基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置，其特征在于，所述的图像采集单元采用图像传感器，图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机中。
4.根据权利要求2所述的基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置，其特征在于，所述的激光通过单模光纤传输至载物台的透明载物窗口，具体为：激光通过单模光纤照射透明载物窗口的细胞液，形成细胞液全息图。
5.根据权利要求3所述的基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置，其特征在于，所述的图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机中，具体为：图像传感器采集全息图，将全息图的光强进行记录并输入计算机中。
6.根据权利要求5所述的基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置，其特征在于，所述的计算机，通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像，利用反正切运算得到细胞真实相位图，根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性。
7.采用权利要求1所述的基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置进行的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
启动激光光源，激光通过单模光纤照射透明载物窗口的细胞液，获得细胞液全息图；
图像传感器采集细胞液全息图发送至计算机中；
计算机通过傅里叶变换法重建反演细胞截面图像；
计算机利用反正切运算得到细胞真实相位图；
计算机根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述的计算机利用反正切运算得到细胞真实相位图，具体为：对细胞光波进行反正切运算，获得包裹相位，利用解包裹相位得到细胞真实相位图。
9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述的计算机根据细胞相位差与折射率差之间的比例关系确定细胞活性，具体为：细胞折射率越低，细胞活性越低。
CN201810187051.8A 2018-03-07 2018-03-07 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法 Active CN108570409B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810187051.8A CN108570409B (zh) 2018-03-07 2018-03-07 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法
PCT/CN2018/110992 WO2019169871A1 (zh) 2018-03-07 2018-10-19 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810187051.8A CN108570409B (zh) 2018-03-07 2018-03-07 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108570409A true CN108570409A (zh) 2018-09-25
CN108570409B CN108570409B (zh) 2020-04-24

Family

ID=63576819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810187051.8A Active CN108570409B (zh) 2018-03-07 2018-03-07 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108570409B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019169871A1 (zh) * 2018-03-07 2019-09-12 广州博冠光电科技股份有限公司 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法
CN114015741A (zh) * 2021-11-08 2022-02-08 中山大学 一种非侵入式的微生物活性分析方法、系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102460124A (zh) * 2009-06-25 2012-05-16 相位全息成像Phi有限公司 使用数字全息成像对卵子或胚胎进行分析
CN102660457A (zh) * 2012-04-17 2012-09-12 南昌航空大学 无透镜全息衍射成像血细胞分析计数的装置及方法
CN104237081A (zh) * 2007-10-30 2014-12-24 纽约大学 用全息视频显微术来跟踪和表征颗粒
CN105651656A (zh) * 2016-04-01 2016-06-08 黄恺 基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置及其工作机制
CN106769701A (zh) * 2017-02-28 2017-05-31 合肥工业大学 一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置及检测方法
US20170219998A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-03 Regents Of The University Of Minnesota System and method for digital inline holography

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104237081A (zh) * 2007-10-30 2014-12-24 纽约大学 用全息视频显微术来跟踪和表征颗粒
CN102460124A (zh) * 2009-06-25 2012-05-16 相位全息成像Phi有限公司 使用数字全息成像对卵子或胚胎进行分析
CN102660457A (zh) * 2012-04-17 2012-09-12 南昌航空大学 无透镜全息衍射成像血细胞分析计数的装置及方法
US20170219998A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-03 Regents Of The University Of Minnesota System and method for digital inline holography
CN105651656A (zh) * 2016-04-01 2016-06-08 黄恺 基于激光全息成像法分析颗粒形状的装置及其工作机制
CN106769701A (zh) * 2017-02-28 2017-05-31 合肥工业大学 一种颗粒球形度同轴数字全息检测装置及检测方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019169871A1 (zh) * 2018-03-07 2019-09-12 广州博冠光电科技股份有限公司 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法
CN114015741A (zh) * 2021-11-08 2022-02-08 中山大学 一种非侵入式的微生物活性分析方法、系统
CN114015741B (zh) * 2021-11-08 2024-01-30 中山大学 一种非侵入式的细胞活性分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108570409B (zh) 2020-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yun et al. Monte Carlo simulation of polarized photon scattering in anisotropic media
Enfield et al. In vivo imaging of the microcirculation of the volar forearm using correlation mapping optical coherence tomography (cmOCT)
He et al. Application of sphere-cylinder scattering model to skeletal muscle
Chen et al. Mueller matrix polarimetry for characterizing microstructural variation of nude mouse skin during tissue optical clearing
Serov et al. Full-field laser Doppler perfusion imaging and monitoring with an intelligent CMOS camera
Nan et al. Linear polarization difference imaging and its potential applications
Aknoun et al. Quantitative retardance imaging of biological samples using quadriwave lateral shearing interferometry
Sankaran et al. Polarization discrimination of coherently propagating light in turbid media
Wang et al. Automatic underwater polarization imaging without background region or any prior
Akarçay et al. Determining the optical properties of a gelatin‑TiO 2 phantom at 780 nm
CN108570409A (zh) 基于光纤数字同轴全息显微的细胞活性检测装置及方法
Yakovlev et al. Quantitative mapping of collagen fiber alignment in thick tissue samples using transmission polarized-light microscopy
Ney et al. Ultrahigh polarimetric image contrast enhancement for skin cancer diagnosis using InN plasmonic nanoparticles in the terahertz range
Dixon et al. Quantifying optical anisotropy in soft tissue membranes using Mueller matrix imaging
Huynh et al. Mueller matrix polarimetry and polar decomposition of articular cartilage imaged in reflectance
Tsai et al. Measurement and simulation of light distribution in biological tissues
Iannucci et al. Effect of matrix properties on transmission and reflectance mode division-of-focal-plane Stokes polarimetry
Guyot et al. Registration scheme suitable to Mueller matrix imaging for biomedical applications
Afriat Staloff et al. Measurement of skin stretch using digital image speckle correlation
Vanchulyak et al. Stokes-correlometry of polycrystalline films of biological fluids in the early diagnostics of system pathologies
Blokhina et al. The meat product quality control by a polarimetric method
Ren et al. The underwater active imaging detection with linear polarization
Tong et al. Improved photoacoustic images via wavefront shaping modulation based on the scattering structure
Federici et al. Noninvasive light-reflection technique for measuring soft-tissue stretch
Zhu et al. Experimental and theoretical evaluation of rotating orthogonal polarization imaging

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant