基于傅立叶叠层成像的大视场高分辨率三维衍射层析成像研究

Based on the basic principle and methods of the Fourier ptychography and optical diffraction tomography, the main focus of the proposed research is the study of wide-field high-resolution three-dimensional (3D) diffraction tomography based on Fourier ptychographic microscopy. The proposed research has three main themes. The first one is to extend the conventional 2D Fourier ptychography theory, explore and establish the mathematical model of the 3D Fourier ptychographic diffraction tomography under bright-field and dark-field coherent illuminations, and the generalized angular spectrum diffraction function within the 3D non-uniform medium. The second theme is to develop an efficient 3D deconvolution and iterative reconstruction algorithm for 3D Fourier ptychographic diffraction tomography by combining the advantages of high-efficiency deconvolution method and high-accuracy iterative approach. The third theme is to explore the spatial and frequency sampling criteria of the 3D optical transfer function (OTF) and the 3D spectrum overlapping ratio for developing an optimal designing scheme for the 3D Fourier ptychographic diffraction tomographic microscopy system. By breaking through various technical bottlenecks and the key scientific issues behind them, the research will lead towards new approaches to reconstruct high-accuracy high-throughput high-resolution 3D refractive index (RI) distribution of biological samples, cells, and tissues. In this way, the achievements of the research will not only be full of significance for basic biology research, but also provide a novel imaging methodology for cell dynamics, pathology research, and clinical diagnostic imaging, promoting the further development in these research fields.

本项目以傅立叶叠层成像与光学衍射层析成像的基本原理和方法为基础，拟探索一种基于傅立叶叠层成像的大视场高分辨率三维衍射层析成像方法。借鉴二维傅立叶叠层成像的相关理论模型，研究并建立相干照明下明场及暗场的三维傅立叶叠层衍射层析成像的数学模型和三维非均匀介质中的广义角谱衍射函数；结合反卷积重构方法的高效率和迭代重构方法的高精度优势，发展出针对高分辨率傅立叶叠层衍射层析成像的高效三维反卷积迭代重构方法；分析空频域采样率对三维光学传递函数模型与三维频谱重叠率的影响，发展出傅立叶叠层衍射层析成像系统的最优化设计方案。通过创新研究，突破各项技术瓶颈和关键科学问题，最终实现生物细胞三维折射率分布的高精度、高通量、高分辨率成像与重构。相关研究成果不仅对基础生物学有重要意义，而且将为细胞生物学，病理学，临床医学研究与诊断提供一种崭新的无标记影像学手段，对推动其相关研究具有重要的价值和作用。

本项目以建立非干涉、无标记、大视场、高分辨、高效率层析成像的新理论、新技术、新方法为科学目标，最终实现大视场高分辨率三维傅立叶叠层衍射层析成像，为细胞生物学，病理学，临床医学研究与诊断提供一种崭新的无标记影像学手段。通过三年攻关，本项目获得以下主要学术成果：.（1）提出了基于傅里叶叠层成像的非干涉光强衍射层析成像技术，将二维傅里叶叠层成像技术与三维衍射层析技术有机结合，在10倍物镜的大视场下实现了横向分辨率达390nm，轴向分辨率达899nm高通量三维层析成像，横向分辨率提升了1.63倍，轴向分辨率提升了6.75倍。能够同时清晰分辨约4千个HeLa细胞中每一个细胞器的三维结构。.（2）提出了基于稀疏复用混合照明的快速傅里叶叠层衍射层析成像技术，采用稀疏环形LED照明和多路复用的混合照明策略，仅采集了73幅原始强度图，将数据需求减少40倍以上，以更快的迭代速度实现大视野和高分辨率的三维折射率成像，实现了三维成像的计算加速。此外，提出了基于混合传递函数的高精度定量相位显微成像理论，通过对比分析空间域TIE及频率域WOTF的物理模型，将二者优势互补相互结合组成混合传递函数MTF，对缓变大相位物体的相位重构精度提升了2.1倍以上。.（3）提出了基于频谱混叠特性的傅里叶叠层成像系统最优化理论，建立了基于空间采样率函数和光学传递函数的频谱混叠程度数学模型，提出了最优空间域采样率条件，并设计出与之相适应的最优照明方案，从而对传统的傅里叶叠层成像系统做出了进一步优化，达到了原始采集图像数据最低的冗余度条件，同时也保证了最终的重构精度。.在本项目的资助下，共发表SCI学术论文17篇，其中包括JCR一区SCI论文8篇（共一作者3篇），共获得WOS引用次数545次，google学术引用次数694次。另外还发表了第一作者EI论文3篇；项目在研期间已授权美国发明专利2项，申请美国发明专利2项，申请中国发明专利8项。超额完成了预期目标。