CN112782059A - 一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，根据无透镜成像***特点，建立菲涅尔衍射模型，并由此建立该无透镜成像***的准球细胞高度方向位移测量模型，通过待测生物细胞样品中准球细胞的衍射图像得到准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离，代入测量模型，得到该准球细胞的高度方向位移大小。本发明能够解决准球细胞在微流控芯片中高度方向位移无法精确测量的问题，非常适合于微流控芯片和无透镜成像相结合的POTC，操作简单，实时性高，对于无透镜成像***和微流控相结合的生物细胞检测具有十分重要的意义。

Description

一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法
技术领域
本发明属于医疗图像分析技术领域，涉及一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法。
背景技术
生物细胞检测和分析是医学研究、疾病诊断等不可或缺的手段。对细胞检测设备和方法的研发是推动生物医学研究、疾病诊断技术进步的重要力量。其中准球细胞的检测和分析在其中占有重要地位。
传统的生物细胞检测方式主要分为两种，一种是人工的方法，使用光学显微镜进行细胞检测；另一种是借助流式细胞仪进行细胞检测。但是这两种方法的检测设备都存在其体积大，价格昂贵，对操作人员专业知识要求高等问题。近年来，低成本，便携，用户友好和操作简单的即时检测(Point-Of-Care Testing，POCT)越来越受到了人们的青睐。在POCT条件下实现生物细胞检测逐渐成为研究热点。
微流控能够准确控制样品和试剂的数量和流速，从而实现分析物的高精度、高灵敏度的分离和检测。基于微流控的POCT技术具有制备简便、试剂用量低、响应时间短、可连续监测分析等优点，为生物细胞检测提供了强大的平台。无透镜成像***的成像的原理及***的体积相比有透镜显微镜有巨大的优势，同时还有近乎无限的视野和低廉的价格。因此基于微流控技术的无透镜成像***的发展使基于POCT技术的生物细胞检测成为可能。
基于微流控的典型无透镜成像***由光源、微流控芯片和CMOS图像传感器(CMOSImage Sensor，CIS)组成。将含有细胞的微流控芯片直接置于CIS上，由于细胞和CIS之间没有透镜，在CIS上不能真正形成细胞图像，只能形成细胞的衍射条纹。同时，由于微流控芯片的引入，也会给无透镜成像带来一些技术困难。由于微流控芯片的微通道具有一定高度，当细胞在微通道内移动时，细胞将沿高度方向移动。从细胞到成像面的距离会发生变化，而且这种变化是随机的。细胞到成像面距离的不确定性将严重影响无透镜成像***的成像效果，不利于对图像更进一步的分析。因此如何利用衍射图像来获取细胞在微流控芯片中高度方向的位移信息，在生物细胞检测中具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，利用准球细胞衍射条纹实现对准球细胞高度方向位移的测量。
本发明所采用的技术方案是，一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备含有标准球细胞的标准生物细胞样品；
步骤2、将微流控芯片放置于无透镜成像***的CMOS图像传感器上，并将生物细胞样品通入到微流控芯片中；
步骤3、打开无透镜成像***的单色光源，使光线照射在通有标准生物样品的微流控芯片上；
步骤4、打开图像采集装置，利用CMOS图像传感器采集标准生物细胞样品中准球细胞的衍射图像；
步骤5、根据无透镜成像***成像原理及特点，建立菲涅尔衍射模型；
步骤6、计算菲涅尔衍射的衍射光强振幅，得到衍射环的位置与准球细胞到成像表面距离的关系式，建立该无透镜成像***的准球细胞高度方向位移测量模型，准球细胞到成像表面的距离即为标准生物细胞样品到CMOS图像传感器的距离；
步骤7、采集待测生物细胞样品中准球细胞的衍射图像，根据该衍射图像得到准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离，通过高度方向位移测量模型计算得到待测生物细胞样品中准球细胞到成像表面的距离，该准球细胞到成像表面的距离即为该准球细胞的高度方向位移大小。
本发明的特点还在于，
单色光源为点光源或平行光源。
步骤5具体为：
由于无透镜***中光源到成像面的距离为有限距离，其衍射原理符合菲涅尔衍射，又因为准球形细胞的衍射边缘不是标准圆，因此符合直边菲涅尔衍射，衍射发生在以锐利直边为界的半无限平面上，成像平面上的光强I即直边菲涅尔衍射模型表示为：
Figure BDA0002872668320000031
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：
Figure BDA0002872668320000032
Figure BDA0002872668320000033
式(3)中，r'是光源到标准生物细胞样品的距离，s'是标准生物细胞样品到CMOS图像传感器的距离，x是标准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为光波长，r'、λ均为已知量，s'、x均为未知量。
步骤6具体按照以下步骤实施：
由式(1)得到下式，
Figure BDA0002872668320000041
由式(2)、(3)得：
Figure BDA0002872668320000042
由式(4)和(5)解得：
Figure BDA0002872668320000043
在标准生物细胞样品中准球细胞的菲涅耳衍射图案的亮条纹和暗条纹的位置上，满足C(w)＝S(w)，将C(w)＝S(w)带入式(6)可得衍射光强振幅为：
Figure BDA0002872668320000044
将式(3)代入式(7)，得到标准生物细胞样品中准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离与准球细胞到成像表面距离的关系式，该关系式即为该无透镜成像***的准球细胞高度方向位移测量模型。
步骤7具体按照以下步骤实施：
通过图像采集装置采集待测生物细胞样品中准球细胞的衍射图像，根据该衍射图像得到准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离，将衍射环到真实细胞边界的距离代入准球细胞高度方向位移的测量模型，得到准球细胞到成像表面的距离，准球细胞到成像表面的距离即为该准球细胞的高度方向位移大小，待测生物细胞样品中准球细胞的高度方向位移测量完成。
本发明的有益效果是：
本发明一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法利用无透镜成像***采集微流控中的准球细胞的衍射图像，得到准球形细胞衍射环的位置与细胞到成像表面距离的关系；该方法能够精确测量准球细胞在高度方向的位移大小，非常适合于微流控芯片和无透镜成像相结合的POTC，能够解决准球细胞在微流控芯片中高度方向位移无法精确测量的问题，操作简单，实时性高，对于无透镜成像***下的生物细胞检测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。
图中，8.光源，9.微孔，10.凸透镜，11.平行光线，12.遮光板，13.微流控芯片，14.CMOS图像传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，利用微流控芯片和无透镜成像***采集准球细胞的衍射图像，对准球细胞在微流控中的高度方向位移进行测量。无透镜成像***，如图1所示，包括遮光板12、光源8、凸透镜10、微流控芯片13和CMOS图像传感器14，所述光源8为点光源，光源8的光线透过微孔9、经凸透镜10折射形成平行光线11，平行光线11照射在微流控芯片13上，微流控芯片13中通有标准生物样品，并放置在CMOS图像传感器14上，CMOS图像传感器14采集待测生物细胞的衍射图像。
本发明一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备含有标准球细胞的标准生物细胞样品。
步骤2、将微流控芯片13放置于无透镜成像***的CMOS图像传感器14上，并将生物细胞样品通入到微流控芯片13中。
步骤3、打开无透镜成像***的单色光源8，使光线照射在通有标准生物样品的微流控芯片13上。
步骤4、打开图像采集装置，利用CMOS图像传感器14采集标准生物细胞样品中准球细胞的衍射图像。
步骤5、根据无透镜成像***成像原理及特点，建立菲涅尔衍射模型；
所述步骤5具体为：
由于无透镜***中光源到成像面的距离为有限距离，其衍射原理符合菲涅尔衍射，又因为准球形细胞的衍射边缘不是标准圆，因此符合直边菲涅尔衍射，衍射发生在以锐利直边为界的半无限平面上，成像平面上的光强I即直边菲涅尔衍射模型表示为：
Figure BDA0002872668320000061
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：
Figure BDA0002872668320000062
Figure BDA0002872668320000063
式(3)中，r'是光源到标准生物细胞样品的距离，s'是标准生物细胞样品到CMOS图像传感器的距离，x是标准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为光波长，r'、λ均为已知量，s'、x均为未知量。
步骤6、计算菲涅尔衍射的衍射光强振幅，得到衍射环的位置与准球细胞到成像表面距离的关系式，建立该无透镜成像***的准球细胞高度方向位移测量模型，所述准球细胞到成像表面的距离即为标准生物细胞样品到CMOS图像传感器14的距离；
所述步骤6具体按照以下步骤实施：
由式(1)得到下式，
Figure BDA0002872668320000071
由式(2)、(3)得：
Figure BDA0002872668320000072
由式(4)和(5)解得：
Figure BDA0002872668320000073
在标准生物细胞样品中准球细胞的菲涅耳衍射图案的亮条纹和暗条纹的位置上，满足C(w)＝S(w)，将C(w)＝S(w)带入式(6)可得衍射光强振幅为：
Figure BDA0002872668320000074
将式(3)代入式(7)，得到标准生物细胞样品中准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离与准球细胞到成像表面距离的关系式，该关系式即为该无透镜成像***的准球细胞高度方向位移测量模型。
步骤7、采集待测生物细胞样品中准球细胞的衍射图像，根据该衍射图像得到准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离，通过高度方向位移测量模型计算得到待测生物细胞样品中准球细胞到成像表面的距离，该准球细胞到成像表面的距离即为该准球细胞的高度方向位移大小。
所述步骤7具体按照以下步骤实施：
通过图像采集装置采集待测生物细胞样品中准球细胞的衍射图像，根据该衍射图像得到准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离，将衍射环到真实细胞边界的距离代入准球细胞高度方向位移的测量模型，得到准球细胞到成像表面的距离，准球细胞到成像表面的距离即为该准球细胞的高度方向位移大小，待测生物细胞样品中准球细胞的高度方向位移测量完成。

Claims (5)

1.一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备含有标准球细胞的标准生物细胞样品；
步骤2、将微流控芯片放置于无透镜成像***的CMOS图像传感器上，并将生物细胞样品通入到微流控芯片中；
步骤3、打开无透镜成像***的单色光源，使光线照射在通有标准生物样品的微流控芯片上；
步骤4、打开图像采集装置，利用CMOS图像传感器采集标准生物细胞样品中准球细胞的衍射图像；
步骤5、根据无透镜成像***成像原理及特点，建立菲涅尔衍射模型；
步骤6、计算菲涅尔衍射的衍射光强振幅，得到衍射环的位置与准球细胞到成像表面距离的关系式，建立该无透镜成像***的准球细胞高度方向位移测量模型，所述准球细胞到成像表面的距离即为标准生物细胞样品到CMOS图像传感器的距离；
步骤7、采集待测生物细胞样品中准球细胞的衍射图像，根据该衍射图像得到准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离，通过高度方向位移测量模型计算得到待测生物细胞样品中准球细胞到成像表面的距离，该准球细胞到成像表面的距离即为该准球细胞的高度方向位移大小。
2.根据权利要求1所述的一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，其特征在于，所述单色光源为点光源或平行光源。
3.根据权利要求1所述的一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，其特征在于，所述步骤5具体为：
由于无透镜***中光源到成像面的距离为有限距离，其衍射原理符合菲涅尔衍射，又因为准球形细胞的衍射边缘不是标准圆，因此符合直边菲涅尔衍射，衍射发生在以锐利直边为界的半无限平面上，成像平面上的光强I即直边菲涅尔衍射模型表示为：
Figure FDA0002872668310000021
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：
Figure FDA0002872668310000022
Figure FDA0002872668310000023
式(3)中，r'是光源到标准生物细胞样品的距离，s'是标准生物细胞样品到CMOS图像传感器的距离，x是标准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为光波长，r'、λ均为已知量，s'、x均为未知量。
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具体按照以下步骤实施：
由式(1)得到下式，
Figure FDA0002872668310000024
由式(2)、(3)得：
Figure FDA0002872668310000025
由式(4)和(5)解得：
Figure FDA0002872668310000031
在标准生物细胞样品中准球细胞的菲涅耳衍射图案的亮条纹和暗条纹的位置上，满足C(w)＝S(w)，将C(w)＝S(w)带入式(6)可得衍射光强振幅为：
Figure FDA0002872668310000032
将式(3)代入式(7)，得到标准生物细胞样品中准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离与准球细胞到成像表面距离的关系式，该关系式即为该无透镜成像***的准球细胞高度方向位移测量模型。
5.根据权利要求3所述的一种无透镜成像***中的准球细胞高度方向位移测量方法，其特征在于，所述步骤7具体按照以下步骤实施：
通过图像采集装置采集待测生物细胞样品中准球细胞的衍射图像，根据该衍射图像得到准球细胞的衍射环到真实细胞边界的距离，将衍射环到真实细胞边界的距离代入准球细胞高度方向位移的测量模型，得到准球细胞到成像表面的距离，准球细胞到成像表面的距离即为该准球细胞的高度方向位移大小，待测生物细胞样品中准球细胞的高度方向位移测量完成。
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