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专利名称：用于希耳伯特相位成像的系统和方法
用于希耳伯特相位成像的系统和方法本申请是2006年3月M日递交的申请号为200680009723. 1，发明名称为“用于希耳伯特相位成像的系统和方法”的分案申请。
背景技术：
光学显微技术是ー种在生物学和医药学中常用的研究方法。众多的生物学样品 (包括活細胞)在可见光的照度下是完全透明的而且本质上表现为相位物体。通过将相位信息变换为明暗度的分布，相衬技术和Nomarski显微技术为几乎看不见的样品提供了对比，并显现出生物系统的结构上的细节。然而，通过上述技术获得的关于照明场的相位移动的信息只是用于定量分析的。来自具有高精确度和低杂波的透明物体的恢复定量分析相位信息允许测量生物学的研究中的结构和动态。用干涉仪测量和非用干涉仪测量的技术都已经被建议在生物样品的定量相位成像中使用。同样，傅立叶相位显微技术(FPM)也已经被研发为ー种超低杂波的相位成像方法。由于时间周期的延长中的次纳米相位的稳定性，FPM 适用于从秒数到細胞的生命周期的时间量程内的生物系统的动态研究。

发明内容
细胞级中的大多数过程，包括細胞溶质动力学、細胞膜变异、神经系统的活动，出现在下至毫秒范围的较短的时间内。因此，允许以kHz帧频俘获全场的定量相位图像的显微技术能够对生物系统进行量化。已经发现时间变化域中的复解析信号的形式在光学领域有着广泛的应用。尤其是，复解析信号中的实虚部之间的希耳伯特变换关系已经被用于从单一的时间干渉图中恢复相位移动。本发明涉及用于定量的相位成像的系统和方法，參考希耳伯特相位显微技术 (HPM)，其允许来自単一的空间干涉图的全场相位图像的恢复。在HPM中，单次拍摄的相位成像通过记录设备(例如，成像传感器)仅被限制在帧俘获率的范围内。成像传感器的实施例包括数字成像检测器，例如，电荷耦合设备(CCD)或者COMS成像阵列。这与相位移动技术形成对比，其中用于恢复単一的相位图像需要众多的录像。此外，HPM为相位展开提供准备，其使得相位物体的研究远远大于光的波长研究。优选的是，成像设备具有至少200，000象素，其可以以至少10帧/秒的速度进行收集，而且优选的是，超过100帧/秒。优选的实施方案中将来自单一光源的光沿着參考路径和样品路径分解。沿着样品路径的光被引导通过被测量的样品或物体，和沿着參考路径的光通过调制装置进行调制， 以致当来自样品的光与调制參考光结合吋，能被成像传感器所检测的干涉图案就会产生。 调制装置可以是，例如，旋转反射镜或活动透镜。本发明的优选的实施方案可以包括纤维光学器件以将光连接到物体上(例如，组织)从而成像。可以使用激光或不同波长的其他的高相关光源。计算机或其他数据处理器或图像处理器可以被连接到成像设备的输出上以处理图像数据。在优选的实施方案中，数据处理器与软件程序编程以处理图像，这是利用视场中的选定点作为參考点来首先滤除杂波实现的。然后，图像进行希耳伯特变换以获取处理后的图像。对使用了滤波器之后得到的干渉图中进行傅立叶变换以获取被过滤后的图像数据。其后是适用逆傅立叶变换以获取交迭的和展开的相位图像。这提供了关注物体的定量相位图像。本发明优选的实施方案可以包括根据本发明的希耳伯特相位成像的配置，其中光学几何条件被设置为透射或反射的成像。在优选的实施方案中，倒置的显微几何条件可以与用于结合參照物图像和样品图像的光束分解器一井使用。反射測量可以通过贴上反射材料来进行，例如，将聚苯乙烯珠粒附着到細胞膜上。然后，相干光可以被反射出所述材料以获取干涉图。这可以用于测量隔膜的机械性能，例如，剪切模量或弯曲系数。本文所描述的过程可以在，例如，人体外部或哺乳动物的组织或体液或者人眼外部的其他组织中使用。本发明为非生物应用以及生物应用而提供；例如，本发明可以为对于光纤維和/ 或其他的透明或半透明的物体或材料(包括晶体结构)的相位轮廓的研究提供准备。


附图1举例说明根据本发明的成像系统的优选实施方案。附图2a- !举例说明获取的图像，包括a)透射亮度图像；b)干涉图；c)正弦曲线信号；和d)从a)中显示的矩形区域中測量得到的交迭相位；e)全场的展开相位；f)全场的定量相位图像；g)通过f中的相位图像和指示模拟配合的连续线条的横向轮廓；h)全血涂片(放大倍率为40)的HPM图像；显示出5um的度量杆；灰色的度量杆显示a_c的亮度级別，和d-h的相位弧度。附图3a_3d显示的是获取的图像，包括a)水滴的HPM图像；色彩杆显示微米范围内的厚度和度量杆为IOum ；b)附图3a的点0的路径长度波动；显示出标准偏差；c)蒸发过程中的滴液质量(毫微微克为单位)的时间变化；d)蒸发过程中滴液的混合厚度；在a 3. 4s的时间间隔和连续帧之间的10. 3ms内收集的数据。附图4举例说明根据本发明的成像系统的优选的实施方案。附图5a_5c举例说明获取的图像和数据，包括a)全血涂片的定量相位图像； RBCs (红血球)的体积用毫微微升表示和色彩杆为弧度，和b)与区域0相关的空间标准偏差的时间波动，和c)作为平均帧的函数的时间平均数sigma. sub. s。附图6a_6d举例说明在10秒周期中与红血球有关的外形变化的定量评定。附图7a_7i举例说明获取的图像和数据，包括a_e)4秒周期中的溶血作用的各个阶段；和f_h)正如显示出的那样，对应t = 0. 5s, 1. Os和1. 5s的从细胞中分离的血色素的相位图像；i)在4秒的周期中与細胞(附图7f中用箭头表示)外的点有关的細胞体积变化和光路径长度移动。附图8是根据本发明的优选实施方案的使用软件程序以处理图像数据的处理流禾王。
具体实施例方式附图1中举例说明了本发明的优选的实施方案。在该实施方案中，氦氖激光被用作Mach-Zender成像干涉仪20的光源10。第一光束分离器12分离来自光源10的光以形成干涉仪的两条光路，分別包括參考光束14和样品光束16。反射镜18将样品光束16反射到样品或物体25上。干涉仪20的每条光路都有两套放大倍率为M = 20的望远镜系统， 每套望远镜系统包括物镜22，M和透镜沈，28。第二反射镜30将參考场反射到第二光束分离器32上。參考场40的方向是可以调节的，例如，通过反射镜30的可旋转的移动以倾斜參考场40。图像传感器42，例如，(XD，可以在透镜沈，28的共有的傅立叶平面上定位，在此形成样品场44的精确(放大)复制。为了产生相对于CXD图像传感器42的χ轴和y轴成45度角定位的统一条纹结构，參考场40 (通过光束分离器32反射到CXD图像传感器42 上)稍微倾斜于样品光束44。在所述实施方案中使用的CCD (C770，Hamamatsu光子学)具有在480X640象素的全分辨率上的291帧/秒的俘获率。也可以使用更高的分辨率和俘获率。图像数据从传感器42中传送到处理器或计算机120中以分析和显示。对于给定的样品25，图像平面上越过χ轴或y轴的空间上变化的辐射度具有以下形式I(x) = Jfl + Is(X) + 2^ixIs(x)cos[qx +(U其中IK，IS分別是參考的和样品的辐射度分布，q是条纹的空间频率，和Φ是与物体25有关的空间上变化的相位，关注的数量。方程式(1)类似于Michelson中的时间干渉和其他的干涉仪的描述，其中q对应于由声光调制器或移动的反射镜所导致的频率变化。 对于此处关注的透明物体，Is被认为是χ的弱相关。通过调节系统的放大倍率，可以选择空间频率q以匹配或超过仪器的数字孔径所允许的最大频率，以保护衍射极限的分辨率。正弦曲线项 れX)可以通过傅立叶高通滤波独立出来。其跟随复解析信号，zOO，相关的实函数U(X)可以从以下公示中获得= -itt(x)+1— Γ-^· dx*(2)
2Λ· Λ方程式じ)中，右边的虚部代表理论值(ρ)的整数，可以确认为U(X)的希耳伯特变换。因此，相位光谱，Φ 00，相关的复解析信号Z(X)可以通过以下方程式计算
权利要求
1.一种量化相位成像系统，该成像系统包括光源，第一光程路径、第二光程路径和相对于样品路径和參考路径定位的成像检测器阵列设备；样品，该样品相对于样品路径被这样定位，以至于使得来自光源的光被传递穿过样品使来自样品的光沿着相对于沿着參考路径的光成ー个角度定位的轴被传递从而形成条纹图案，该条纹图案用成像检测器阵列设备来检测；处理器，该处理器执行ー种由所述成像检测器阵列设备对图像数据进行检测的变换操作以提供样品的量化空间相位图像数据。
2.根据权利要求1的系统，其中所述处理器展开数据。
3.根据权利要求1的系统，进一歩包括旋转反射镜。
4.根据权利要求1的系统，其中成像设备以至少10帧/秒的全场速度进行收集。
5.根据权利要求1的系统，其中处理器对图像数据进行傅立叶变换和/或希耳伯特变换。
6.根据权利要求1的系统，包括干涉仪。
7.根据权利要求1的系统，包括显微镜。
8.根据权利要求1的系统，其中处理器测量图像数据的连续的帧的杂波。
9.根据权利要求1的系统，其中该系统在被检测的图像数据的多个点测量空间相位。
10.根据权利要求1的系统，其中所述检测器检测样品的単一相位图像来提供样品的量化相位分布。
11.一种用于物体成像的方法，该方法包括用来自光源的光对物体进行照明，照明光沿着样品路径被引导穿过待被成像的物体， 来自光源的光沿着參考路径被引导，以至于样品路径的一部分相对于參考路径以ー个角度被定位以形成条纹光图案，该条纹光图案由成像检测器所检测； 用成像检测器设备获取条纹结构的图像；以及用一种变换处理图像以获取量化图像数据。
12.根据权利要求11的方法，进ー步包括以对于成像检测设备的正交轴45度的角度来确定条纹图案的方向。
13.根据权利要求11的方法，进ー步包括对生物学材料进行成像。
14.根据权利要求11的方法，进ー步包括对组织进行成像。
15.根据权利要求11的方法，进ー步包括在样品路径的傅立叶平面和检测图像的參考路径上提供激光源和电荷耦合设备。
16.根据权利要求11的方法，进ー步包括从单ー检测图像获取物体的定量空间相位图像。
17.根据权利要求16的方法，进ー步包括获取物体的空间相位图像是通过 对测量得到的空间数据进行傅立叶变换和高通滤波以获取复解析信号的实正弦曲线信号的部分；获取与正弦曲线信号有关的复解析信号和通过使用希耳伯特变换来压缩负频率； 进行逆傅立叶变换以获取提供关于物体的相位信息的复ニ维信号；以及通过减去线性相位来获取定量的空间相位图像。
18.根据权利要求11的方法，进ー步包括为测量从哺乳动物身体上移除组织或血样品。
19.根据权利要求11的方法，进ー步包括确定来自物体的图像数据的物体内部结构的大小。
20.根据权利要求11的方法，进ー步包括对血细胞进行成像。
全文摘要
休伯特相位显微技术(HPM)作为一种用于测量与光可穿透物体有关的高横向分辨率的定量相位图像的光学技术。由于其单次拍摄的特性，HPM适用于透明结构(例如，生物细胞)中发生的快速现象的研究。优选的实施方案用于测量生物系统，包括对红血球的测量，而且能够对毫秒范围内的动态过程进行量化，例如，可以用于举例说明对于蒸发的微米大小的水滴的测量。
文档编号G01N21/45GK102539382SQ201110374950
公开日2012年7月4日 申请日期2006年3月24日 优先权日2005年3月25日
发明者加布里埃尔·波普斯克, 拉曼查德·戴萨瑞, 池田高宏, 迈克尔·S·费尔德 申请人:麻省理工学院