摘要
细胞是高等生命的基本单元，能够反应生命个体的状态，采集并分析细胞概况及内部结构信息是疾病诊断、药品开发等医学研究的重要手段。荧光成像作为一种使用探针标记的成像技术是当前获取细胞内部结构信息的唯一方式，但现存荧光成像系统存在的弊端使其应用场景受到极大限制，无法满足实验条件有限地区的多样检测需求。因此，研究简易便捷、高性价比的荧光多模成像系统具有重要意义。 本文在分析无透镜荧光成像系统与传统荧光显微镜的基础上，针对这两类荧光成像系统的问题，提出了一种基于微透镜的大视场荧光多模成像系统。为了从理论上研究本文荧光成像系统的可行性及成像质量，首先通过分析荧光显微镜及无透镜荧光成像系统的成像原理及光路模型，在综合考虑图像传感器画幅面积、像素尺寸及样本特点等系统特性后，结合两类现有系统的优势建立了微透镜荧光成像系统的光路结构模型与单帧荧光图像成像的数学模型，并讨论了影响系统荧光成像质量的因素。其次，根据系统光路结构与拓展成像视场的需求，建立了面向全景荧光图像的二维扫描成像模型，并针对系统应用背景分析了扫描轨迹，以获得更优的扫描成像方式。此外，本文还根据微透镜荧光成像系统的自身特性，提出了两种面向全景细胞荧光图像的优化重构算法并进行了分析讨论。 基于上述模型，本文搭建了基于二维移动平台的微透镜大视场荧光成像系统，设计了可配置的多模成像镜头及微型暗室等结构，完成了单帧荧光图像及大视场多帧荧光图像的采集实验，并利用本文提出的优化重构算法对采集到的多帧荧光图像进行了配准实验，随后对重构的全景荧光图像做了超分辨率处理，进一步提升丁图像分辨率。最后，基于单片机设计并实现了二维移动平台控制驱动电路的集成，同时给出了微透镜大视场荧光多模成像系统的小型化方案，该设备尺寸为108×108×156mm3。 20μm荧光微球的两项成像实验结果表明，微透镜荧光成像系统的光路模型结构正确，能够准确反应样本真实信息，系统采集的荧光图像中微球直径平均误差仅为5.16%，结合二维扫描成像拓展视场后能够获得~193mm2内1.34μm的成像分辨率。全景荧光图像重构实验结果表明，本文提出的基于特殊区域的SURF特征点匹配算法能够有效解决误匹配率过高导致配准失败的问题，其平均配准率达到23.46%，约为传统SURF匹配算法的6.4倍；基于改进搜索策略的二值模板快速匹配算法也大幅度提升了匹配效率，其配准时间仅为传统模板匹配算法均值的20.14％，并且更易于硬件实现。因此，本文基于微透镜的大视场超分辨率荧光多模成像系统具有可行性、简便性；提出的面向全景细胞荧光图像的优化重构算法具有高效性。
NETL