培养箱内置式细胞动态三维显微成像系统设计与开发

论文摘要

细胞生物学研究的迅速发展对细胞的显微观测手段提出了新的需求,现如今,对活细胞生长过程的实时观测与长时记录已成为生物基础研究及应用研究领域一项关键的实验技术。然而,具备此类观测功能的显微仪器却遍地难寻。其技术瓶颈在于传统光学显微镜采用固定科勒照明下的明场成像方式,无法直接观察到未染色活细胞。且其无法为细胞提供生长所必须的体外培养环境,也就难以实现对细胞在活性状态下的观察。针对上述问题,我们开发了一套培养箱内置式细胞动态三维显微成像系统,命名为Cellmonitor。其由显微镜整机及配套操作软件两部分组成。其采用照明孔径、角度灵活可调的可编程LED阵列作为显微照明光源,使得Cellmonitor于同一系统下实现明场、暗场、莱茵伯格成像等多模式成像功能;通过自主开发的最优照明模式下的差分相衬定量相位成像算法,配合LED阵列对样品的编码照明,Cellmonitor于非干涉条件下实现了对未染色细胞等样品的实时定量三维成像;设备采用独创的小型化显微成像系统设计,可直接内置于细胞培养箱,通过软件对箱内细胞的形态发育过程进行长期稳定的观测;软件集成细胞分割计数等图像分析功能,使得设备可高效地实现对生长状态下活细胞的多维度图像采集与生长参数分析。本文完成系统成像算法设计、光学设计、机械结构设计、硬件驱动开发、操作软件开发,以形成高完成度的整套设备。最后采用Hela细胞等样品对系统功能及性能进行了测试以验证其可靠性。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 细胞显微成像技术发展概况

1.2.1 明场、相衬等传统显微成像技术

1.2.2 数字全息定量相位显微成像技术

1.2.3 荧光显微和激光共聚焦显微成像技术

1.2.4 差分相衬定量相位成像技术

1.3 细胞体外培养技术发展概况

1.4 论文主要工作

2 系统功能及总体设计

2.1 系统功能及创新点

2.1.1 基于差分相衬定量相位成像的非干涉动态三维成像技术

2.1.2 基于可编程LED阵列照明的显微多模式成像技术

2.1.3 基于小型化显微成像系统设计的培养箱内置式细胞显微观测模式

2.1.4 对细胞定量相位显微结果的实时分析功能

2.2 系统总体设计

2.3 系统性能指标

2.4 系统操作流程

3 系统核心算法设计

3.1 最优照明模式下的差分相衬定量相位成像

3.1.1 差分相衬定量相位成像基本原理

3.1.2 最优照明模式下差分相衬定量相位成像流程

3.1.3 成像模型仿真

3.2 基于可编程LED阵列照明的多模式显微成像技术

3.2.1 明场、暗场成像原理

3.2.2 相衬、莱茵伯格成像原理

3.3 细胞分割计数算法

4 硬件系统设计

4.1 硬件系统总体设计方案

4.2 照明模块:可编程LED阵列

4.3 光学成像模块:小型定焦显微透镜组

4.4 图像采集模块:工业CCD相机

4.5 驱动控制模块:硬件电路板

5 软件系统设计

5.1 软件总体设计方案

5.1.1 开发环境

5.1.2 设计模式

5.1.3 主界面布局

5.2 软件子模块介绍

5.2.1 光源控制模块

5.2.2 相机控制模块

5.2.3 图像显示模块

5.2.4 图像分析模块

6 系统测试与评价

6.1 系统主要性能测试

6.1.1 横向分辨率测试:分辨力测试板测试

6.1.2 轴向分辨率测试:PMMA微结构测试

6.1.3 视场大小测试:千分尺测试测试

6.2 系统主要功能测试

6.2.1 多模式成像功能测试:动物、植物切片观察

6.2.2 定量相位成像功能测试:Hela细胞动态观测

7 总结与展望

7.1 创新点总结

7.2 已完成工作总结

7.3 不足及改进方案

致谢

参考文献

附录

附录 A:攻读硕士学位期间发表的论文及专利情况

附录 B:攻读硕士学位期间主要获奖情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁君义

导师: 陈钱

关键词: 细胞研究,可编程阵列,定量相位成像,培养箱内置式观察,多模式显微成像

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,计算机软件及计算机应用

单位: 南京理工大学

分类号: Q246;TP391.41

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000332

总页数: 70

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