基于超快时间展宽技术的大通量多维度细胞成像研究

Optical imaging detection at single cell level is the key of High-Content Analysis (HCA) technology. At present, there are three kinds of imaging cell detection methods, which are based on light intensity, phase and polarization respectively. Compared with optical intensity imaging, the latter two imaging methods has been increasingly used for cell analysis due to their label-free, non-invasive and quantitative characteristics. But limited by the imaging speed of CCD/CMOS surface arrayed image sensor, the detection speed of imaging cell detection is at least two orders of magnitude lower than the speed of the traditional non-imaging methods, which greatly hinders the application of HCA technology in rapid detection of high-throughput cells. In order to break through the bottleneck of the speed, this project intends to introduce time-stretch imaging to realize multidimensional cell imaging base on light intensity, optical phase and polarization, and to provide a method for rapidly, comprehensive and accurately cell imaging detection. The main contents of this project are: (1) study of ultrafast light intensity, phase and polarization multi-dimension simultaneous imaging with time-stretch technique, (2) study of the performance index of the multi-dimensional imaging system, optimizing the time and spatial resolution of the system, (3) study the scheme of ultrafast time-stretch multi-dimensional imaging for cancer cells and the algorithm of distinguishing cancer cells from normal cells with multi-dimensional parameters.

单细胞水平的光学成像检测是高内涵分析（HCA）技术的关键。目前的成像式细胞检测主要有光强度、光相位及光偏振三种成像方式。而后两种成像方式相比光强度成像由于具有免标记、无侵入以及定量化的特点，已经越来越多的用于细胞分析检测。但是受限于CCD/CMOS面阵列图像传感器的成像速度，其检测速度相比传统非成像式细胞检测速度至少要低两个数量级，这极大地阻碍了HCA技术在大通量细胞快速检测中的应用。为突破速度瓶颈，本项目拟引入时间展宽成像技术开展基于光强度、相位及偏振的多维度细胞成像研究，提供一种能够快速、全面、准确地进行细胞成像检测的方法。本项目主要研究：（1）研究基于时间展宽技术进行超快光强度、相位及偏振多维度同时成像的机理；（2）分析研究多维度成像系统性能指标，优化系统的时空分辨率；（3）提出并完善针对癌细胞进行超快时间展宽多维度成像的技术方案，研究基于多维度参数有效区分癌细胞和正常细胞的算法。

对生物细胞的光学成像检测方法具有非侵入性、无电离辐射、可定量化等优点，并已在药物试制、细胞检测等生命科学研究领域得到广泛应用。现有的成像式生物细胞检测主要以CCD/CMOS图像传感器为核心器件，成像检测速度则受限于CCD/CMOS图像传感器的速度，一般在几十Hz量级。为突破这一速度瓶颈，我们提出了结合光学时间展宽的超快速多维度成像式检测技术，可以MHz帧速进行光强度、相位及偏振多维度同时超快速成像。本项目的主要研究内容有：（1）基于时间展宽技术进行超快光强度、相位及偏振多维度同时成像系统的设计研究工作，通过引入零差式相干接收机以及分时复用偏振分集方案，可以实现超快速的强度、相位及偏振同时成像能力，且成像帧速达到100MHz。（2）基于时间展宽技术的超快速多维度成像系统性能分析研究，优化并最大化系统的成像帧速和空间分辨率。（3）实现针对癌细胞等生物样品的超快速多维度成像的验证实验。我们对人皮肤基底细胞癌切片进行了超快成像，可以同时获得其双折射图像、相位延迟图像以及偏振衰减图像。对癌细胞进行超快多维度成像，基于多维度图像可以对细胞进行超快速的定量参数分析，包括细胞光强度密度、细胞干重、细胞干重表面密度、细胞相体积、细胞球度、细胞散射强度等参数。本项目验证了基于光学时间展宽的超快速光强度、相位及偏振同时成像的技术方案，对癌症组织病理样本以及癌细胞进行了初步的成像实验，基于多维度图像对生物样品进行了定量参数分析，验证了本研究在生物样品检测中的潜在应用价值。