CN110231276B - 无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置及其测量方法 - Google Patents

无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置，包括灯光支架，灯光支架上在竖直方向固定有光源和凸透镜，光源位于凸透镜正上方，凸透镜正下方设置有CMOS传感器，CMOS传感器连接有PCB电路板，本发明采样清晰，避免了衍射对于细胞尺寸测量的引前的干扰。本发明还公开了一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，该方法应用上述本发明无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置进行测量，将待测细胞样本的成像数据导出，并定位标记待测细胞样本中的细胞及其衍射环，通过测量和计算获得标记细胞的完整半径数据，完成细胞的尺寸测量，本发明能够实时测量和统计带检测样本中的细胞尺寸。

Description

无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于细胞尺寸测量技术领域，涉及无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置，还涉及该无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法。
背景技术
传统的细胞检测主要通过光学显微镜来完成。这种方法自动化程度低，结果差异大，并且无法在较高通量的条件下完成细胞计数统计，不利于便携应用。采用流式细胞仪在一定程度上提高了细胞检测的自动化程度。但其设备庞大、操作复杂、价格昂贵。2006年，美国加州理工大学的Yang changhuei研究小组首次提出无透镜光流体显微芯片的概念。无透镜成像装置的优点在于不需要透镜成像，直接将被检测样品放置于图像传感器上方，再使用合适的光源照明即可替代现有的光学显微镜,并且采用无透镜成像装置不仅能够减小系统的尺寸和成本，还可以绕过有透镜系统固有的局限性。
由于采用无透镜阴影成像，不可避免的出现了衍射现象，衍射形成的衍射光环造成确定真实细胞尺寸不可实现。现有的衍射恢复的方法采用全息恢复方法，由于干扰因素较多，并不能很好的在工程实现上去除衍射对于细胞尺寸测量的引前的干扰，并且全息成像方法复杂，成本高，耗时长。
发明内容
本发明的目的是提供无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置，避免了衍射对于细胞尺寸测量的引前的干扰。
本发明的另一目的是提供该无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置，包括灯光支架，灯光支架上在竖直方向固定有光源和凸透镜，光源位于凸透镜正上方，凸透镜正下方设置有CMOS传感器，CMOS传感器连接有PCB电路板。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
光源设置在灯光盒中，灯光盒与灯光支架固定连接，灯光盒下底面开设有微孔，光源的光线由微孔射出。
灯光支架上还设置有样本固定支架，样本固定支架将待测样本固定于CMOS传感器上。
CMOS传感器设置于PCB电路板上，PCB电路板具有USB传输接口，PCB电路板位于底座上，底座上扣设有外壳，外壳将灯光支架罩于其内部。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，该方法应用本发明第一种技术方案无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置进行测量，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将待测细胞稀释后置于载玻片和盖玻片之间，得到待测细胞样本；
步骤2、将待测细胞样本置于CMOS传感器上中央位置，并通过样本固定支架固定待测细胞样本，开启光源，光源发出的光线经凸透镜聚拢垂直射向待测细胞样本；
步骤3、开启PCB电路板，使CMOS传感器记录待测细胞样本的成像，并将成像数据经PCB电路板导出；
步骤4、读取成像数据，将成像数据转化为灰度图像，通过细胞识别定位算法定位并标记视域内各细胞及其衍射环，衍射环与其对应标记细胞由近及远依次标记为第一衍射环，第二衍射环，第三衍射环，……，第N衍射环，N是不为0的自然数；
步骤5、选定初始测量方向测量标记细胞的第N衍射环半径d，通过菲涅尔衍射模型计算标记细胞与CMOS传感器的距离r，通过r采用菲涅尔衍射模型计算得到初始测量方向上标记细胞边缘与其第N衍射环边缘的距离d’，在初始测量方向标记细胞的半径R＝d-d'，将初始测量方向偏转一周按照上述方式计算标记细胞的半径，获得标记细胞的完整半径数据，细胞的尺寸测量完成。
本发明第二种技术方案的特点还在于，
步骤3中将成像数据经PCB电路板导出具体为将成像数据经PCB电路板存储于存储设备中，存储设备将成像数据导入计算机。
步骤4)具体按照以下步骤实施：
步骤4.1)将步骤3)导出的成像数据转化为灰度图像；
步骤4.2)利用matlab软件对灰度图像求灰度值统计图，即灰度直方图，根据灰度直方图中灰度值的分布情况确定细胞灰度分割阈值，然后采用阈值分割，将目标细胞与背景区分开，得到二值化图像；
步骤4.3)利用形状模板在整幅二值化图像中进行扫描，对扫描到与形状模板匹配的细胞记录其在二值化图像中的位置坐标；
步骤4.4)根据记录的位置坐标标记出二值化图像中的细胞，得到标记细胞；
步骤4.5)将标记细胞对应的衍射环由近及远依次标记为第一衍射环，第二衍射环，第三衍射环，……，第N衍射环，N是不为0的自然数。
步骤5具体按照一下步骤实施：
步骤5.1)取衍射发生平面即细胞边缘的平面为xoy平面，细胞边缘切线为y轴，位于xoy平面内切垂直于y轴并过切点的直线为x轴，观察点与光源点的连线与z轴的夹角为δ，切点与原点距离为x，构建坐标系；根据光照强度计算式，
I(P)＝|U(P)|2＝B2(C2+S2) (10)
式(10)中，I表示个光照强度，U为光强扰动函数，P表示标记细胞，B、C、S均为参数式，C、S均为菲涅尔积分，且
Figure BDA0002075359430000041
式(11)中，τ为积分路线，w为C、S的参数，且
Figure BDA0002075359430000042
式(12)中，r'为发生衍生的平面到观察点的距离，s'为发生衍生的平面到光源(2)的距离，s'、x、δ均可测量获得；
将式(12)代入式(11)中，得到C(w)、S(w)的表达式；
将C(w)、S(w)的表达式代入式(10)中，同时将B的计算式代入式(10)，由于二值化图像中光照强度已知，计算可得r'，其中，
Figure BDA0002075359430000043
式(13)中，A表示振幅，λ为光的波长，k为系数且
Figure BDA0002075359430000044
i为虚数；
步骤5.2)根据下式计算直边菲涅尔衍射图样的强度，
Figure BDA0002075359430000051
式(14)中，I0为计算参数，且
Figure BDA0002075359430000052
通过式(14)的计算结果得到强度分布图，测量强度分布图第N个波峰与原点的距离d’，则在初始测量方向标记细胞的半径R＝d-d'；
步骤5.3)将初始测量方向等偏转角偏转一周，每次偏转0.001°～1°，每次偏转后按照步骤5.1)～步骤5.2)的方式计算各偏转方向上的标记细胞半径，获得标记细胞的完整半径数据，细胞的尺寸测量完成。
本发明的有益效果是：
本发明无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置，结构简单，采样清晰，避免了衍射对于细胞尺寸测量的引前的干扰，实现了细胞尺寸测量装置的小型化；本发明一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，操作简单，能够快速标定细胞尺寸，能够实时测量和统计带检测样本中的细胞尺寸，测量准确可靠，节省了大量的人力和时间。
附图说明
图1是本发明无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的结构示意图。
图中，1.灯光支架，2.光源，3.凸透镜，4.CMOS传感器，5.PCB电路板，6.灯光盒，7.样本固定支架，8.底座，9.外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置，结构如图1所示，包括灯光支架1，灯光支架1上在竖直方向固定有光源2和凸透镜3，光源2位于凸透镜3正上方，凸透镜3正下方设置有CMOS传感器4，CMOS传感器4连接有PCB电路板5。
本发明第一种技术方案的特点还在于，
光源2设置在灯光盒6中，灯光盒6与灯光支架1固定连接，灯光盒6下底面开设有微孔，光源2的光线由微孔射出。
灯光支架1上还设置有样本固定支架7，样本固定支架7将待测样本固定于CMOS传感器4上。
CMOS传感器4设置于PCB电路板5上，PCB电路板5具有USB传输接口，PCB电路板5位于底座8上，底座8上扣设有外壳9，外壳9将灯光支架1罩于其内部。
本发明一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，该方法应用上述本发明无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置进行测量，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将待测细胞稀释后置于载玻片和盖玻片之间，得到待测细胞样本。
步骤2、将待测细胞样本置于CMOS传感器4上中央位置，并通过样本固定支架7固定待测细胞样本，开启光源2，光源2发出的光线经凸透镜3聚拢垂直射向待测细胞样本。
步骤3、开启PCB电路板5，使CMOS传感器4记录待测细胞样本的成像，并将成像数据经PCB电路板5导出，将成像数据经PCB电路板5导出具体为将成像数据经PCB电路板5存储于存储设备中，存储设备将成像数据导入计算机。
步骤4、读取成像数据，将成像数据转化为灰度图像，通过细胞识别定位算法定位并标记视域内各细胞及其衍射环，衍射环与其对应标记细胞由近及远依次标记为第一衍射环，第二衍射环，第三衍射环，……，第N衍射环，N是不为0的自然数；
步骤4.1)将步骤3)导出的成像数据转化为灰度图像；
步骤4.2)利用matlab软件对灰度图像求灰度值统计图，即灰度直方图，根据灰度直方图中灰度值的分布情况确定细胞灰度分割阈值，然后采用阈值分割，将目标细胞与背景区分开，得到二值化图像；
步骤4.3)利用形状模板在整幅二值化图像中进行扫描，对扫描到与形状模板匹配的细胞记录其在二值化图像中的位置坐标；
步骤4.4)根据记录的位置坐标标记出二值化图像中的细胞，得到标记细胞；
步骤4.5)将标记细胞对应的衍射环由近及远依次标记为第一衍射环，第二衍射环，第三衍射环，……，第N衍射环，N是不为0的自然数。
步骤5、选定初始测量方向测量标记细胞的第N衍射环半径d，通过菲涅尔衍射模型计算标记细胞与CMOS传感器4的距离r，通过r采用菲涅尔衍射模型计算得到初始测量方向上标记细胞边缘与其第N衍射环边缘的距离d’，在初始测量方向标记细胞的半径R＝d-d'，将初始测量方向偏转一周按照上述方式计算标记细胞的半径，获得标记细胞的完整半径数据，细胞的尺寸测量完成；
步骤5具体按照一下步骤实施：
步骤5.1)取衍射发生平面即细胞边缘的平面为xoy平面，细胞边缘切线为y轴，位于xoy平面内切垂直于y轴并过切点的直线为x轴，观察点与光源点的连线与z轴的夹角为δ，切点与原点距离为x，构建坐标系；根据光照强度计算式，
I(P)＝|U(P)|2＝B2(C2+S2) (10)
式(10)中，I表示个光照强度，U为光强扰动函数，P表示标记细胞，B、C、S均为参数式，C、S均为菲涅尔积分，且
Figure BDA0002075359430000081
式(11)中，τ为积分路线，w为C、S的参数，且
Figure BDA0002075359430000082
式(12)中，r'为发生衍生的平面到观察点的距离，s'为发生衍生的平面到光源(2)的距离，s'、x、δ均可测量获得；
将式(12)代入式(11)中，得到C(w)、S(w)的表达式；
将C(w)、S(w)的表达式代入式(10)中，同时将B的计算式代入式(10)，由于二值化图像中光照强度已知，计算可得r'，其中，
Figure BDA0002075359430000083
式(13)中，A表示振幅，λ为光的波长，k为系数且
Figure BDA0002075359430000084
i为虚数；
步骤5.2)根据下式计算直边菲涅尔衍射图样的强度，
Figure BDA0002075359430000085
式(14)中，I0为计算参数，且
Figure BDA0002075359430000086
通过式(14)的计算结果得到强度分布图，测量强度分布图第N个波峰与原点的距离d’，则在初始测量方向标记细胞的半径R＝d-d'；
步骤5.3)将初始测量方向等偏转角偏转一周，每次偏转0.001°～1°，每次偏转后按照步骤5.1)～步骤5.2)的方式计算各偏转方向上的标记细胞半径，获得标记细胞的完整半径数据，细胞的尺寸测量完成。
本发明无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置采用面阵成像系统能够清晰的采集到细胞图像，不需要有透镜系统即可实现对于视域内细胞的尺寸标定，并且可以获得远大于传统光学显微镜的视域范围，大大减小了设备体积和复杂程度。

Claims (4)

1.一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，其特征在于，该方法应用无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置进行测量，无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置包括灯光支架(1)，所述灯光支架(1)上在竖直方向固定有光源(2)和凸透镜(3)，所述光源(2)位于凸透镜(3)正上方，所述凸透镜(3)正下方设置有CMOS传感器(4)，所述CMOS传感器(4)连接有PCB电路板(5)；所述光源(2)设置在灯光盒(6)中，灯光盒(6)与灯光支架(1)固定连接，所述灯光盒(6)下底面开设有微孔，所述光源(2)的光线由微孔射出；所述灯光支架(1)上还设置有样本固定支架(7)，所述样本固定支架(7)将待测样本固定于CMOS传感器(4)上；所述CMOS传感器(4)设置于PCB电路板(5)上，所述PCB电路板(5)具有USB传输接口，所述PCB电路板(5)位于底座(8)上，所述底座(8)上扣设有外壳(9)，所述外壳(9)将灯光支架(1)罩于其内部；
具体按照以下步骤实施：
步骤1、将待测细胞稀释后置于载玻片和盖玻片之间，得到待测细胞样本；
步骤2、将所述待测细胞样本置于CMOS传感器(4)上中央位置，并通过样本固定支架(7)固定待测细胞样本，开启光源(2)，光源(2)发出的光线经凸透镜(3)聚拢垂直射向待测细胞样本；
步骤3、开启PCB电路板(5)，使CMOS传感器(4)记录待测细胞样本的成像，并将成像数据经PCB电路板(5)导出；
步骤4、读取成像数据，将成像数据转化为灰度图像，通过细胞识别定位算法定位并标记视域内各细胞及其衍射环，衍射环与其对应标记细胞由近及远依次标记为第一衍射环，第二衍射环，第三衍射环，……，第N衍射环，N是不为0的自然数；
步骤5、选定初始测量方向测量标记细胞的第N衍射环半径d，通过菲涅尔衍射模型计算标记细胞与CMOS传感器(4)的距离r'，通过r'采用菲涅尔衍射模型计算得到初始测量方向上标记细胞边缘与其第N衍射环边缘的距离d’，在初始测量方向标记细胞的半径R＝d-d'，将初始测量方向偏转一周按照上述方式计算标记细胞的半径，获得标记细胞的完整半径数据，细胞的尺寸测量完成。
2.根据权利要求1所述的一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤3中将成像数据经PCB电路板(5)导出具体为将成像数据经PCB电路板(5)存储于存储设备中，存储设备将成像数据导入计算机。
3.根据权利要求1所述的一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤4)具体按照以下步骤实施：
步骤4.1)将步骤3)导出的成像数据转化为灰度图像；
步骤4.2)利用matlab软件对灰度图像求灰度值统计图，即灰度直方图，根据灰度直方图中灰度值的分布情况确定细胞灰度分割阈值，然后采用阈值分割，将目标细胞与背景区分开，得到二值化图像；
步骤4.3)利用形状模板在整幅二值化图像中进行扫描，对扫描到与形状模板匹配的细胞记录其在二值化图像中的位置坐标；
步骤4.4)根据记录的位置坐标标记出二值化图像中的细胞，得到标记细胞；
步骤4.5)将标记细胞对应的衍射环由近及远依次标记为第一衍射环，第二衍射环，第三衍射环，……，第N衍射环，N是不为0的自然数。
4.根据权利要求1所述的一种无透镜成像系统的细胞尺寸测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤5具体按照一下步骤实施：
步骤5.1)取衍射发生平面即细胞边缘的平面为xoy平面，细胞边缘切线为y轴，位于xoy平面内切垂直于y轴并过切点的直线为x轴，观察点与光源点的连线与z轴的夹角为δ，切点与原点距离为x，构建坐标系；根据光照强度计算式，
I(P)＝|U(P)|2＝B2(C2+S2) (10)
式(10)中，I表示个光照强度，U为光强扰动函数，P表示标记细胞，B、C、S均为参数式，C、S均为菲涅尔积分，且
Figure FDA0003320996020000031
式(11)中，τ为积分路线，w为C、S的参数，且
Figure FDA0003320996020000032
式(12)中，r'为发生衍生的平面到观察点的距离，s'为发生衍生的平面到光源(2)的距离，s'、x、δ均可测量获得；
将式(12)代入式(11)中，得到C(w)、S(w)的表达式；
将C(w)、S(w)的表达式代入式(10)中，同时将B的计算式代入式(10)，由于二值化图像中光照强度已知，计算可得r'，其中，
Figure FDA0003320996020000033
式(13)中，A表示振幅，λ为光的波长，k为系数且
Figure FDA0003320996020000041
i为虚数；
步骤5.2)根据下式计算直边菲涅尔衍射图样的强度，
Figure FDA0003320996020000042
式(14)中，I0为计算参数，且
Figure FDA0003320996020000043
通过式(14)的计算结果得到强度分布图，测量强度分布图第N个波峰与原点的距离d’，则在初始测量方向标记细胞的半径R＝d-d'；
步骤5.3)将初始测量方向等偏转角偏转一周，每次偏转0.001°～1°，每次偏转后按照步骤5.1)～步骤5.2)的方式计算各偏转方向上的标记细胞半径，获得标记细胞的完整半径数据，细胞的尺寸测量完成。
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