数字全息技术在生物医学成像和分析中的应用

分类：论文范文 发表时间：2021-04-13 09:20

　　摘要数字全息成像具有全视场、非接触、无损伤、实时性和定量化的独特优势，特别适合于无染色剂标记生物样品的定量三维重建和快速跟踪，在生物医学应用领域发展迅速。介绍了生物细胞的数字全息相衬成像原理，从细胞形貌测量、生物学参数、生理状态、药效反应和动力学分析几方面概述了数字全息成像方法在生物医学领域中的研究和应用进展，讨论了数字全息在生物医学方面的发展前景，并指出了数字全息成像所面临的挑战和亟待解决的技术问题。

　　关键词全息；相衬成像；显微；生物医学；活体细胞

　　１引言

　　在生物医学和生命科学研究中，对生物细胞在玻璃器皿培养液内和在自然条件下进行可视化观测，期望获得细胞的结构形态、动态特性、生理学参数、细胞间的相互作用、细胞对药物的反应和药物输运等信息，对于早期医学诊断和药物设计开发等具有重要意义。然而，当前的定性、二维和较慢成像速度的显微成像方法已经不能满足生物医学研究和发展的需求，迫切需要可实现定量、三维和快速跟踪的成像方法。由于生物细胞一般为相位型或者类相位型物体，只能提供振幅像的传统光学显微镜很难清晰分辨细胞边缘，且其成像焦深较短，每次聚焦只能获取物体的二维图像，对样品的厚度、位置以及三维形貌的观测非常困难。为了提高细胞成像的对比度，人们提出了荧光显微镜，但使用该显微镜前需要利用罗丹明、吖啶橙或绿色荧光蛋白等物质对生物细胞进行染色预处理［１］，此预处理增加了操作的复杂度，且不可避免地会影响生物细胞的生理特性。为此，各种光学相衬显微成像方法得到快速发展，如广泛使用的泽尼克相衬显微镜、微分相衬显微镜、激光共焦显微镜和光学相干层析术等［２－３］。但随着生物医学和生命科学的迅速发展，这些方法已经不能满足对生物活细胞的动态定量观测需求，例如泽尼克相衬显微镜和微分相衬显微镜的基本原理是把相位信息变换成强度信息，该变换一般是非线性的，因而测量的相位信息只是定性的。激光共焦显微镜和光学相干层析术虽然可以进行物体的三维形貌测量，但这两种显微镜都需要对样品进行精确扫描，导致成像系统的结构十分复杂，且成像历时长，不能实现实时动态测量。在以上技术基础上也提出了其他改进的全视场定量相衬成像方法，如希尔伯特变换相位显微术（ＨＰＭ）、傅里叶变换相位显微术（ＦＰＭ）和衍射相位显微术（ＤＰＭ）等［４－７］。然而，在这些方法中，有的需要扫描镜和平移台等机械运动装置，系统结构复杂，有的则需要波前传感器及多次曝光。

　　更新了一篇医学相关的论文，如医学教育类期刊有哪些，您可以点击并前往查看。

　　２生物细胞相衬成像原理

　　数字全息作为一种定量的相衬成像方法，其本质是测量待测样品的透射光束或反射光束的相位延迟的光学相干成像方法。一般体外检测的生物细胞需要在培养液中生长，以图１中的透射生物样品检测为例，当光通过活体细胞这种相位型样品时，光强度变化非常小，因此细胞的振幅信息不能清晰地体现细胞结构。但是光在活体细胞和细胞周围物质中的传播速度不同，会产生相应的相位延迟。

　　３面向生物医学应用的数字全息成像装置

　　生物细胞的尺度在亚微米到几十微米量级，根据成像视场和分辨率的要求不同，可采用不同的数字全息成像装置。为了观测单个或少数几个生物细胞的形貌特征，需要较高成像分辨率，往往采用基于显微物镜（ＭＯ）的预放大数字全息显微成像装置［２７－３４］。为了分析大量细胞的形态变化和动态特性，需要较大的视场，可以采用无透镜傅里叶变换数字全息成像装置［３５－３７］。下面将介绍这两种典型的面向生物医学应用的数字全息成像装置。

　　结论

　　数字全息成像作为一种新型的实时、非破坏性的全视场三维定量相衬成像方法，特别适于无染色剂标记生物活细胞的定量相衬成像和实时动态监测，是目前国内外光学与生物医学交叉学科领域的研究热点。目前数字全息显微成像已经成功应用于活体细胞的形貌检测、生物学参数和生理状态分析等。发挥数字全息可进行数值处理和自动聚焦的灵活优势，可对快速变化和离焦样品进行实时清晰成像，已经将数字全息推广应用到药效反应、细胞动力学分析等领域，它所提供的定量生物信息可为生物医学研究提供更加丰富的基础数据，有利于发现新的生物现象，推动和辅助药物筛选和临床诊断的快速发展。然而，当前数字全息显微技术仍然面临许多具有挑战性的科学问题，如成像分辨率受限、折射率与厚度信息的解耦问题等，这些问题的解决将使数字全息显微技术更具实用性，将大力推动其在生物医学和生命科学等领域的应用。

　　参考文献

　　１ＬＪＫｒｉｃｋａ，ＰＦｏｒｔｉｎａ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌａｎｃｅｓｔｒｙ：“ｆｉｒｓｔｓ”ｉｎｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｌａｂｅｌｉｎｇｏｆｎｕｃｌｅｏｓｉｄｅｓ，ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ，ａｎｄｎｕｃｌｅｉｃａｃｉｄｓ［Ｊ］．ＣｌｉｎｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００９，５５（４）：６７０－６８３．

　　２ＣＧＲｙｌａｎｄｅｒ，ＤＰＤａｖé，ＴＡｋｋｉｎ，ｅｔａｌ．．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｐｈａｓｅ－ｃｏｎｔｒａｓｔｉｍａｇｉｎｇｏｆｃｅｌｌｓｗｉｔｈｐｈａｓｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．ＯｐｔＬｅｔｔ，２００４，２９（１３）：１５０９－１５１１．

　　３ＳＹｏｓｈｉｄａ，ＳＴａｎａｋａ，ＭＨｉｒａｔａ，ｅｔａｌ．．ＯｐｔｉｃａｌｂｉｏｐｓｙｏｆＧＩｅｓｉｏｎｓｂｙｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ－ｔｙｐｅｌａｓｅｒ－ｓｃａｎｎｉｎｇｃｏｎｆｏｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．ＧａｓｔｒｏｉｎｔｅｓｔｉｎａｌＥｎｄｏｓｃｏｐｙ，２００７，６６（１）：１４４－１４９．

　　王云新１，２，３王大勇１，２，３杨怡姝４赵洁５欧阳丽婷１，２，３肖向茜４戎路１，２，３

上一篇：精准药学：从转化医学到精准医学探讨新药发展 下一篇：知识图谱研究综述及其在医疗领域的应用