CN112666061B - 一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，根据无透镜成像***特点，简化直边菲涅尔衍射模型；基于直边菲涅耳衍射模型，建立了弧边衍射模型；在此基础上考虑衍射的叠加，得出无透镜成像光强模型，进而得到准球形细胞的光强与半径之间的关系；最终利用准球形细胞衍射图光强模型来实现对准球细胞尺寸的测量。本发明操作简单，非常适合于POTC，对于准球细胞的特征尺寸大小测量准确，实时性高，对于利用衍射图像来检测细胞的特征信息具有十分重要的意义。

Description

一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法

技术领域

本发明属于医学图像分析技术领域，涉及一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法。

背景技术

准球细胞尺寸测量在医学检验中起着重要的作用。许多生物细胞具有球形或者准球形，如红细胞(RBCs)、白细胞(WBCs)、***、癌细胞等。不同的生物细胞类型具有特征尺寸，因此可以利用细胞大小来识别生物细胞类型。

近年来，由于当今高新技术的发展和医学科学的进步，以及高效快节奏的工作方式，使得具有实验仪器小型化、操作简单化、报告结果即时化的即时检测(Point-Of-CareTesting，POCT)越来越受到了人们的青睐。传统的生物细胞尺寸测量方法，如显微镜和流式细胞仪，体积庞大且价格昂贵，依赖于专业人员操作，无法良好的适用于POCT。采用无透镜成像***的片上实验室(Lab-On-a-Chip,LOC)技术为获得准球形胞尺寸提供了一个很好的解决方案。

然而无透镜成像***采集的细胞图像存在衍射效应和低分辨率的问题。一个典型的无透镜成像***由光源和CMOS图像传感器组成。生物细胞直接放置在CMOS图像传感器上，并在CMOS图像传感器上形成阴影。由于这些细胞和CMOS图像传感器之间没有透镜，在CMOS图像传感器上不能真正形成细胞图像，只能形成细胞的衍射条纹。因此如何利用衍射图像来检测细胞的特征信息在无透镜成像***中具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，利用准球细胞衍射图光强模型实现了对准球细胞特征尺寸大小的精确测量。

本发明所采用的技术方案是，一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、制作包含待测准球细胞的生物细胞样品；

步骤2、打开无透镜成像***的单色点光源，单色点光源通过放置在凸透镜的焦距上的微孔，经透镜折射为均匀的平行光源，照射在生物细胞样品上；

步骤3、生物细胞样品置于CMOS图像传感器上，在CMOS图像传感器上形成生物细胞的衍射图像，并将衍射图像上传到数据处理装置；

步骤4、基于无透镜成像***成像衍射原理符合菲涅尔衍射，简化无透镜成像***的直边菲涅尔衍射模型；

步骤5、计算菲涅尔衍射的衍射光强振幅和衍射周期序列；

步骤6、建立弧边衍射模型；

步骤7、考虑衍射的叠加，得出无透镜成像光强模型，进而得到准球细胞的衍射图的叠加光强分布与准球细胞半径之间的关系；

步骤8、将生物细胞的衍射图像经数据处理装置端的无透镜成像光强模型处理后，即可得到该生物细胞的特征尺寸大小，完成准球细胞测量。

本发明的特点还在于，

步骤4具体为：

由于直边菲涅耳衍射能很好地描述衍射边缘位置与衍射条纹强度之间的关系，因此采用直边菲涅尔衍射，当衍射发生在以锐利直边为界的半无限平面上，则成像平面上的光强I即直边菲涅尔衍射模型表示为：

式(1)中，I₀是平均光强，C(w)、S(w)为菲涅耳积分；

C(w)、S(w)表示为：

式(3)中，r'是光源到生物细胞样品的距离，s'是生物细胞样品到CMOS图像传感器的距离，x是生物细胞样品的衍射图像中衍射环到真实细胞边界的距离，λ为光学波长；

由于在无透镜成像***中光源到生物细胞样品的距离趋近于无穷大，因此，w被简化为

将简化后的w代入式(1)即可得到简化后的直边菲涅尔衍射模型。

步骤5具体按照以下步骤实施：

步骤5.1、由式(1)得出，

C'(w)和S'(w)的具体表达式由式(2)、(3)得：

由式(4)和(5)解得：

菲涅耳积分的考纽螺线上k₂，k₄，...，k_2n的点的位置代表菲涅耳衍射亮条纹和暗条纹依次交替的位置，n＝1,2,3......，在这些点上，C(w)＝S(w)，此时，由式(6)可得衍射光强振幅为：

步骤5.2、由式(1)得到余弦函数

得到该余弦函数波峰、波谷，波峰、波谷位置值依次交替即为k₂，k₄，...，k_2n的位置值；通过I/I₀＝1，得到余弦函数与直线I/I₀＝1的交点k₁、k₃、...、k_2n-1的位置值；当生物细胞样品的衍射图像中衍射环到真实细胞边界的距离x为负值时，I/I₀单调地向零方向减小；

由于无透镜成像***中平行光源照射在生物细胞样品上，因此，k₂，k₄，...，k_2n的位置值x(k_2n)表示为：

式(8)中，m_2n为k_2n的菲涅尔衍射周期序列；

k₁，k₃，...，k_2n-1的位置值表示为：

式(9)中，m_2n-1为k_2n-1的菲涅尔衍射周期序列；

k₀的位置值表示为：

式(10)中，m₀为k₀的菲涅尔衍射周期序列，

综上，将菲涅尔衍射周期序列表示为m_i，i＝1,2,3......。

步骤6具体按照以下步骤实施：

步骤6.1、考虑振幅衰减的强度分布，转换式(1)得到实际光强I_arc为：

式(11)中，α是衰减系数；

由于衰减系数α不仅改变了衍射光强的振幅，同时也改变了衍射光强分布曲线。因此在k₂，k₄，...，k_2n处的光强可以表示为

式(12)中，h＝2,4,6,......，R_arc是衍射环的弧边半径，

k₀处的光强表示为

步骤6.2、根据衍射光强振幅和衍射周期序列，弧边衍射模型表示为，

式(13)中，r＝0,1,2,3,......，x∈[x(k_r),x(k_r+1)]。

步骤7具体为：

根据菲涅尔衍射理论，细胞衍射图的谱线宽度大于细胞直径，因此，衍射图是多位置衍射叠加的结果，衍射叠加会严重影响衍射图样的光强分布，以准球形胞的中心为坐标原点，准球细胞的衍射图的叠加光强分布即无透镜成像光强模型表示为：

式(14)中，I_cell是准球细胞的衍射图的绝对光强分布；

由式(14)可以得到准球细胞的衍射图叠加光强分布与准球细胞半径的关系。

步骤8具体为：

在数据处理装置端获取生物细胞衍射图像中的准球细胞的衍射图的叠加光强分布，并经无透镜成像光强模型处理后，即得到该生物细胞样品中生物细胞的特征尺寸大小，完成准球细胞测量。

本发明的有益效果是：

本发明一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法将生物细胞样品的衍射图像上传到数据处理装置，在数据处理装置上，根据无透镜成像***特点，简化直边菲涅尔衍射模型。基于直边菲涅耳衍射模型，建立了弧边衍射模型，在此基础上考虑衍射的叠加，得出无透镜成像光强模型，得到准球形细胞的光强与半径之间的关系，最终通过无透镜成像光强模型得到准球细胞的特征尺寸大小；该方法操作简单，非常适合于POTC，对于准球细胞的特征尺寸大小测量准确，实时性高，对于利用衍射图像来检测细胞的特征信息具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明所应用的无透镜成像***的结构示意图；

图2是本发明步骤5中菲涅耳积分的考纽螺线图。

图中，15.单色点光源，16.凸透镜，17.CMOS图像传感器，18.微孔，19.平行光源，20.生物细胞样品，21.数据处理装置。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，通过无透镜成像***实施测量，无透镜成像***如图1所示，包括单色点光源15、凸透镜16和CMOS图像传感器17，所述单色点光源15的光线透过微孔18、经凸透镜16折射形成平行光源19，生物细胞样品20置于CMOS图像传感器17上，使CMOS图像传感器17能够采集生物细胞样品20的生物细胞衍射图像，CMOS图像传感器17连接有数据处理装置21。

本发明一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、制作包含待测准球细胞的生物细胞样品20。

步骤2、打开无透镜成像***的单色点光源15，单色点光源15通过放置在凸透镜16的焦距上的微孔18，经透镜折射为均匀的平行光源19，照射在生物细胞样品20上。

步骤3、生物细胞样品20置于CMOS图像传感器17上，在CMOS图像传感器17上形成生物细胞的衍射图像，并将衍射图像上传到数据处理装置21。

步骤4、基于无透镜成像***成像衍射原理符合菲涅尔衍射，简化无透镜成像***的直边菲涅尔衍射模型；

步骤4具体为：

由于直边菲涅耳衍射能很好地描述衍射边缘位置与衍射条纹强度之间的关系，因此采用直边菲涅尔衍射，当衍射发生在以锐利直边为界的半无限平面上，则成像平面上的光强I即直边菲涅尔衍射模型表示为：

式(1)中，I₀是平均光强，C(w)、S(w)为菲涅耳积分；

C(w)、S(w)表示为：

式(3)中，r'是光源到生物细胞样品20的距离，s'是生物细胞样品20到CMOS图像传感器17的距离，x是生物细胞样品20的衍射图像中衍射环到真实细胞边界的距离，λ为光学波长；

由于在无透镜成像***中光源到生物细胞样品20的距离趋近于无穷大，因此，w被简化为

将简化后的w代入式(1)即可得到简化后的直边菲涅尔衍射模型。

步骤5、计算菲涅尔衍射的衍射光强振幅和衍射周期序列；

步骤5具体按照以下步骤实施：

步骤5.1、由式(1)得出，

C'(w)和S'(w)的具体表达式由式(2)、(3)得：

由式(4)和(5)解得：

如图2所示，菲涅耳积分的考纽螺线上k₂，k₄，...，k_2n的点的位置代表菲涅耳衍射亮条纹和暗条纹依次交替的位置，n＝1,2,3......，在这些点上，C(w)＝S(w)，此时，由式(6)可得衍射光强振幅为：

步骤5.2、由式(1)得到余弦函数

得到该余弦函数波峰、波谷，波峰、波谷位置值依次交替即为k₂，k₄，...，k_2n的位置值；通过I/I₀＝1，得到余弦函数与直线I/I₀＝1的交点k₁、k₃、...、k_2n-1的位置值；当生物细胞样品20的衍射图像中衍射环到真实细胞边界的距离x为负值时，I/I₀单调地向零方向减小；

由于无透镜成像***中平行光源19照射在生物细胞样品20上，因此，k₂，k₄，...，k_2n的位置值x(k_2n)表示为：

式(8)中，m_2n为k_2n的菲涅尔衍射周期序列；

k₁，k₃，...，k_2n-1的位置值表示为：

式(9)中，m_2n-1为k_2n-1的菲涅尔衍射周期序列；

k₀的位置值表示为：

式(10)中，m₀为k₀的菲涅尔衍射周期序列，

综上，将菲涅尔衍射周期序列表示为m_i，i＝1,2,3......。

步骤6、建立弧边衍射模型；

步骤6具体按照以下步骤实施：

步骤6.1、考虑振幅衰减的强度分布，转换式(1)得到实际光强I_arc为：

式(11)中，α是衰减系数；

由于衰减系数α不仅改变了衍射光强的振幅，同时也改变了衍射光强分布曲线。因此在k₂，k₄，...，k_2n处的光强可以表示为

式(12)中，h＝2,4,6,......，R_arc是衍射环的弧边半径，

k₀处的光强表示为

步骤6.2、根据衍射光强振幅和衍射周期序列，弧边衍射模型表示为，

式(13)中，r＝0,1,2,3,......，x∈[x(k_r),x(k_r+1)]。

步骤7、考虑衍射的叠加，得出无透镜成像光强模型，进而得到准球细胞的衍射图的叠加光强分布与准球细胞半径之间的关系。

步骤7具体为：

根据菲涅尔衍射理论，细胞衍射图的谱线宽度大于细胞直径，因此，衍射图是多位置衍射叠加的结果，衍射叠加会严重影响衍射图样的光强分布，以准球形胞的中心为坐标原点，准球细胞的衍射图的叠加光强分布即无透镜成像光强模型表示为：

式(14)中，I_cell是准球细胞的衍射图的绝对光强分布；

由式(14)可以得到准球细胞的衍射图叠加光强分布与准球细胞半径的关系。

步骤8、将生物细胞的衍射图像经数据处理装置21端的无透镜成像光强模型处理后，即可得到该生物细胞的特征尺寸大小，完成准球细胞测量。

步骤8具体为：

在数据处理装置21端获取生物细胞衍射图像中的准球细胞的衍射图的叠加光强分布，并经无透镜成像光强模型处理后，即得到该生物细胞样品20中生物细胞的特征尺寸大小，完成准球细胞测量。

通过上述方式可知，本发明一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，根据无透镜成像***特点，简化直边菲涅尔衍射模型；基于直边菲涅耳衍射模型，建立了弧边衍射模型；在此基础上考虑衍射的叠加，得出无透镜成像光强模型，进而得到准球形细胞的光强与半径之间的关系；最终利用准球形细胞衍射图光强模型来实现对准球形细胞尺寸的测量。本发明实现了对准球细胞特征尺寸大小的实时精确测量。

关于论证无透镜成像***衍射符合菲涅尔衍射理论具体如下：

基于菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式，考虑单色波的源点在平面不透明屏幕中通过开口传播，在观察点处(光扰动有待确定)传播总扰动U是关于光源到生物细胞样品20的距离、生物细胞样品20到CMOS图像传感器17的距离以及光学波长的函数。

无透镜成像***采用平行光源19照射生物细胞样品20，所以单色点光源15到生物细胞样品20的距离可近似趋近于无穷大，在整个CMOS图像传感器17的细胞和光敏表面之间有一个盖玻片，所以生物细胞样品20到CMOS图像传感器17的距离大约为几百微米到毫米。无透镜成像***中的单色点光源15常使用可见光光源，因此光学波长大约几百纳米。由于无透镜***的以上参数不可忽略，因此可知无透镜成像***不符合夫琅禾费衍射的近似范围，其成像衍射原理符合菲涅尔衍射。

Claims (6)

1.一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、制作包含待测准球细胞的生物细胞样品；

步骤2、打开无透镜成像***的单色点光源，单色点光源通过放置在凸透镜的焦距上的微孔，经透镜折射为均匀的平行光源，照射在生物细胞样品上；

步骤3、生物细胞样品置于CMOS图像传感器上，在CMOS图像传感器上形成生物细胞的衍射图像，并将衍射图像上传到数据处理装置；

步骤4、基于无透镜成像***成像衍射原理符合菲涅尔衍射，简化无透镜成像***的直边菲涅尔衍射模型；

步骤5、计算菲涅尔衍射的衍射光强振幅和衍射周期序列；

步骤6、建立弧边衍射模型；

步骤7、考虑衍射的叠加，得出无透镜成像光强模型，进而得到准球细胞的衍射图的叠加光强分布与准球细胞半径之间的关系；

步骤8、将生物细胞的衍射图像经数据处理装置端的无透镜成像光强模型处理后，即可得到该生物细胞的特征尺寸大小，完成准球细胞测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

由于直边菲涅耳衍射能很好地描述衍射边缘位置与衍射条纹强度之间的关系，因此采用直边菲涅尔衍射，当衍射发生在以锐利直边为界的半无限平面上，则成像平面上的光强I即直边菲涅尔衍射模型表示为：

式(1)中，I₀是平均光强，C(w)、S(w)为菲涅耳积分；

C(w)、S(w)表示为：

式(3)中，r'是光源到生物细胞样品的距离，s'是生物细胞样品到CMOS图像传感器的距离，x是生物细胞样品的衍射图像中衍射环到真实细胞边界的距离，λ为光学波长；

由于在无透镜成像***中光源到生物细胞样品的距离趋近于无穷大，因此，w被简化为

将简化后的w代入式(1)即可得到简化后的直边菲涅尔衍射模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，其特征在于，所述步骤5具体按照以下步骤实施：

步骤5.1、由式(1)得出，

C'(w)和S'(w)的具体表达式由式(2)、(3)得：

由式(4)和(5)解得：

菲涅耳积分的考纽螺线上k₂，k₄，...，k_2n的点的位置代表菲涅耳衍射亮条纹和暗条纹依次交替的位置，n＝1,2,3......，在这些点上，C(w)＝S(w)，此时，由式(6)可得衍射光强振幅为：

步骤5.2、由式(1)得到余弦函数

得到该余弦函数波峰、波谷，波峰、波谷位置值依次交替即为k₂，k₄，...，k_2n的位置值；通过I/I₀＝1，得到余弦函数与直线I/I₀＝1的交点k₁、k₃、...、k_2n-1的位置值；当生物细胞样品的衍射图像中衍射环到真实细胞边界的距离x为负值时，I/I₀单调地向零方向减小；

由于无透镜成像***中平行光源照射在生物细胞样品上，因此，k₂，k₄，...，k_2n的位置值x(k_2n)表示为：

式(8)中，m_2n为k_2n的菲涅尔衍射周期序列；

k₁，k₃，...，k_2n-1的位置值表示为：

式(9)中，m_2n-1为k_2n-1的菲涅尔衍射周期序列；

k₀的位置值表示为：

式(10)中，m₀为k₀的菲涅尔衍射周期序列，

综上，将菲涅尔衍射周期序列表示为m_i，i＝1,2,3......。

4.根据权利要求3所述的一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，其特征在于，所述步骤6具体按照一下步骤实施：

步骤6.1、考虑振幅衰减的强度分布，转换式(1)得到实际光强I_arc为：

式(11)中，α是衰减系数；

由于衰减系数α不仅改变了衍射光强的振幅，同时也改变了衍射光强分布曲线；因此在k₂，k₄，...，k_2n处的光强可以表示为

式(12)中，h＝2,4,6,......，R_arc是衍射环的弧边半径，

k₀处的光强表示为

步骤6.2、根据衍射光强振幅和衍射周期序列，弧边衍射模型表示为，

式(13)中，r＝0,1,2,3,......，x∈[x(k_r),x(k_r+1)]。

5.根据权利要求4所述的一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，其特征在于，所述步骤7具体为：

根据菲涅尔衍射理论，细胞衍射图的谱线宽度大于细胞直径，因此，衍射图是多位置衍射叠加的结果，衍射叠加会严重影响衍射图样的光强分布，以准球形胞的中心为坐标原点，准球细胞的衍射图的叠加光强分布即无透镜成像光强模型表示为：

式(14)中，I_cell是准球细胞的衍射图的绝对光强分布；

由式(14)可以得到准球细胞的衍射图叠加光强分布与准球细胞半径的关系。

6.根据权利要求5所述的一种基于无透镜成像***光强模型的准球细胞测量方法，其特征在于，所述步骤8具体为：

在数据处理装置端获取生物细胞衍射图像中的准球细胞的衍射图的叠加光强分布，并经无透镜成像光强模型处理后，即得到该生物细胞样品中生物细胞的特征尺寸大小，完成准球细胞测量。

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