正交相位显微下的有核细胞亚表面3D特征识别方法与技术

In order to meet the needs of the scientific research and clinical testing application of the precise and transient sub-categories batch identification of biological cells, and aiming the problem of the phase deconstruction of nucleated cells subsurface 3D structure, the sub-surface morphological characteristics of the different types of the leukocyte will be analyzed, and the optical phase model of these leukocytes will be established. The split-step beam propagation theory for heterogeneity, profiled media and its holographic phase imaging simulation technology will be studied. The holographic phase maps of the cell under different poses will be obtained, and the dynamic information feature of phase mutation in the sub-surface boundary will be discussed. Then the ultrafast extracted numerical processing methods of the phase information under broadband approximate conditions(for heterogeneity) will be given, after which its calculation software can be development. Based on the quadrature phase maps,the feature present of phase images will be geiven，the relation of the two maps and the surface mathematical characteristics of phase profile will be explored, and the methods of the nuclear phase imaging and the determination of the center position of the phase will be established, then the relationship between cell thickness distribution and the phase function of heterogeneity cell will be proposed, after that the reconstruction method of the 3D structural features of the cell surface and sub-surface will be built. Finally, based on the interferometric imaging principle and orthogonal imaging method, this project will design the structure of dual-channel quadrature full-field phase microscopic imaging device, and set up experimental platform of quadrature phase microscopic imaging, and then develop the basic application software for the batch subclasses characteristic transient identification of the leukocyte. This work will meet the shortfall of FCM technology and phase microscopy imaging technology, and enhance the level of cell recognition.

基于批量生物细胞亚类精确、瞬态识别的科学研究与临床检验应用的需要，针对有核细胞亚表面3D结构相位解构的难题，以白细胞亚类为对象，分析白细胞亚表面形态特征，建立亚类细胞光相位模型；研究异质、异形介质下的光分步传输理论及其全息相位成像仿真技术，获取不同姿态下的全息相位图谱；讨论细胞亚表面边界相位突变的动态特征，提出宽带近似条件下（适用于异质体）的相位信息超快提取与数值处理方法及其计算软件；给出相位特征的表征，探索正交相位显微图谱下两图特征的关联及其数学特征与表述，建立核相定形和相心定位的方法；分析相函数与有核细胞物理厚度的关系，构建细胞表面和亚表面3D特征结构的重建方法；基于干涉成像原理和正交成像方法，设计正交双通道全场相位显微成像装置的结构，搭建其相位显微成像的实验系统并进行优化，开发出批量白细胞亚类特征瞬态识别的基本应用软件。弥补FCM技术和相位显微成像技术的不足，提升细胞识别技术的水平。

针对生物细胞亚表面结构特征瞬态识别的科学研究与临床检验应用需要，依据本课题研究目标和内容的设定，开展了研究，并圆满实现研究目标。其主要工作：分析了血全细胞的光学特征，建立了系列逼近模型，基于电磁波传播理论，给出了多介质异形面结构下的相位成像仿真技术，为亚结构真实细胞相位信息的获取提供了仿真新技术；利用仿真技术获取了不同入射角下的细胞相位的分布，分析了其相位动态特征，为批量细胞3D亚结构重建时相位数据的有效性分析提供了依据； 利用求导、统计和变换的数学手段，研究了相位提取与恢复方法，分析比较了主要相位提取与恢复方法的优劣，根据瞬态成像的应用需要，提出对应的相位恢复方法，有效提升相位恢复精度和运算速度；研究了多波长相位下的细胞厚度和折射率的耦合特征，提出了双波长相位解耦方法，可有效地获取多介质细胞折射率的体分布信息；针对血全细胞大小、形态、结构等物理特征，分析了相位场和相位梯度与其物理特征的关联，发现了亚结构与相位梯度的关系，提出了相位梯度下的图像消晕方法和亚表面定域方法，破解了亚结构相位体3D重建的关键瓶颈；基于白细胞的主体特征和一定的对称性，提出了相心等相关物理量，并由此提出了基于正交相位成像下的数学旋转3D特征面重建方法，由此可对血全细胞的主特征形态进行成像，有利于血细胞分类识别；基于理论方法研究结果，设计了正交相位成像光学结构，并开发了相应的实验平台，并得到了很好的运行验证，该实验平台可为理论研究提供实验支持，同时也为新型、高能应用仪器的开发提供了雏形；为了更好、更快的推进应用，开发了基于相图下的血全细胞亚类识别系统，可实现血全细胞的亚类识别和形态特征分析。通过上述内容的研究，全面完成了本课题的研究目标。此外，开展了相关的拓展性研究，如：流式相位细胞分析方法；基于舌苔图像分析下的健康系统等，也取得了一定的预期效果。