非正交基下批量血细胞无标记精准成像及其亚结构三维形态高效重建

Nowadays, microscopic super-resolution imaging of blood cells has developed to a new level. However, the combination of flow and mirror examination is still used in the clinical application of blood analysis, which cannot meet the development requirement of precision medicine. Our preliminary achievements show that its main reasons are both the method and technology bottlenecks in non-destructive, rapid and accurate imaging of batch of blood cells' substructures. Therefore, the relationship between dual- channel interferometric phase and the subsurface of the cell under two non-orthogonal bases will be studied firstly in this project. Then, based on this relationship, the associated methods will be proposed, which include fast phase retrieval, multi-medium complex surface determination on the basis of the phase gradient, refractive index decouple and complex surface reconstruction using the maximum entropy algorithm. And the idea that the 3D shape of the sample is replaced by its surface, will be given to overcome the bottlenecks mentioned above. Subsequently, both the method and theory of rapid reconstruction of sub-structural morphology of a cell will be proposed under the nonholonomic data. Based on the technical requirements of the new method, the key technologies will be developed, which include the interference modulation from the incoherent light, the integrated acquisition system for information division multiplexing structure, dual-channel common-path full field imaging using single mirror in a nor-orthogonal way. Then, the rapid imaging and analysis platform of the morphologies of mass blood cells will be constructed in an unlabeled, nondestructive and high accurate way. It can provide a new model for the one–stop accurate blood analysis. The project not only provides a new method and technology for blood cell detection, but also provides a prototype for the replacement of the precision and high-end medical diagnostic instruments.

当今血细胞显微成像在超分等方面已经发展到了一个新高度，然而临床医学血分析应用仍然是流式与镜检组合的分检模式，该模式已满足不了精准医疗的发展要求。预研结果表明，这一现状的主要原因是在无损、批量、血细胞亚结构形态快速、精准成像方面存在着方法和技术上的瓶颈。对此，本课题拟通过非正交基下的两通道干涉相位信息与细胞亚表面关系的研究，给出相位快速恢复方法、相位梯度等数学分析下的多介质复杂表面的定域方法、折射率解耦方法、最大熵下的复杂表面重建方法，以面代体破解瓶颈，从而构建非完整数据下的细胞亚结构形态快速重建方法及理论。基于新方法的技术要求，研发非相干光下的干涉调制、信息分帧复用一体采集、单镜非正交下两通道共光路全场成像等关键技术，构建批量血细胞免标、无损、精准形态快速成像及其分析平台，实现血液精准分析一站式的新模式。不仅为血细胞检测提供一种新方法和技术，还为精密、高端医学诊断仪器的换代提供装置雏形。

针对无损、批量、血细胞亚结构形态快速、精准成像的技术需要，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。其主要工作如下：针对传统相位恢复方法存在的抗干扰能力弱、相移检测精度不够高、相位恢复处理速度不够快等问题，提出了基于欧几里德矩阵M-P范数理论的三步盲移相和双波长盲移相等相位恢复方法，该方法在多种类波形相位以及典型血细胞的相位恢复运算中展现了杰出的稳定性和精准度。此外，提出了快速希尔伯特相位恢复方法，该方法只需一幅双波长干涉图，通过多次希尔伯特变换就可得到合成波长下的相位信息，提高了测量效率；基于光相位显微成像信息，提出了两种多波长（两波长和三波长）下的折射率解耦方法，该方法可得到细胞胞质折射率和胞核折射率，并且可获得对应的的厚度分布；针对正交相位成像技术由于角度固定以及重建速度慢的问题，提出了非正交相位成像下的最大熵层析重建方法。此外，针对典型旋转对称结构的血细胞，提出了3D形态快速旋转重建方法及其算发；针对非正交相位谱图下形态重建的技术要求，提出了两通道、非正交相位成像的设计思想及其光路结构设计。基于TIE相位成像原理，利用倒置显微镜设计和开发了可进行非正交相位显微成像的实验装置。同时提出了一种双通道相位显微成像五棱镜采样系统，该采样系统可弥补传统双光路相位显微成像采样系统的不足；为实现血细胞亚类的快速分类识别，提出了基于细胞相位包裹图下的细胞分类识别的一种机器学习方法，实现了批量血细胞三分群的快速识别。基于细胞非正交双通道的相位图谱，提出了基于血细胞外部形态和亚结构特性的五个相位特征参数下的白细胞五亚类（单核细胞、淋巴细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞以及嗜碱性粒细胞）的精确分类方法，并且开发了一种基于定量相位特征分析的血细胞分类识别软件。通过上述的研究，圆满完成了本课题的研究目标。所有成果得到了国家自然基金委的资助，在此特别感谢国家基金委的支持!