高光谱干涉非标记成像方法及活细胞定量断层成像系统与流程

本发明是关于一种高光谱干涉非标记成像方法及活细胞定量断层成像系统，涉及活细胞成像技术领域。

背景技术：

长时间细胞层析成像是生物医学研究和临床诊断中不可或缺的工具。活细胞有效、持续的断层扫描能够揭示微观尺度上的天然、动态、亚细胞水平的变化，对于掌握长时程细胞形态学信息和代谢情况至关重要。为了实现有效和连续细胞成像，超分辨率的荧光显微镜已成为亟需的成像手段。然而，使用荧光成像仪器，光毒性和光漂白是不可避免的问题。这两种现象限制了荧光显微镜的活细胞长时间稳定成像应用。而且，将荧光基团导入活细胞中的样品制备过程通常非常复杂。由于荧光标记引起的挑战也阻碍了共聚焦显微镜和双光子显微镜的广泛应用。为了解决这个问题，非标记成像技术提供了一种可行的解决方案。其中，相衬成像和微分干涉差分显微镜是两种典型的方法。然而，这两种成像技术都只能提供定性图像，定量的非标记成像技术还有待研究。

发展自相衬和微分干涉差分成像技术的定量相位成像是一种非标记成像技术，该技术可以精确量化由样本异质性所引起的相位移动。该方法能够在没有外来标记物的情况下揭示细胞纳米级形态，因此引起了广泛关注。然而，尽管定量相位成像技术已经取得了较为突出的研究进展，但是精确的纳米级成像分辨率仍然是一项具有挑战性的技术瓶颈。对于定量相位成像技术，当入射光的传播需要经过整个景深，这使得相位的移动是由多层光束相干累积而产生的。由于三维点扩散函数的限制，景深范围内不同层的干涉信号均被收集到物镜的孔径中，并在图像平面中相互叠加。干涉信号的相位无法解析映射到不同的样品层上，使得活细胞样品不同层的图像无法区分，轴向分辨率差。对于厚的样品，比如卵细胞样品或是散射较为明显的样品，不同层的干涉信号叠加之后，其相位信息甚至会变得较为模糊。

综上，尽管干涉现象能够提供亚纳米级的分辨率，但是目前的定量相位成像技术不能提供纳米级的轴向分辨率。通常定量相位成像仪器的轴向分辨率大于1μm，这会严重制约重建结果的质量。此外，常见的定量相位成像仪器使用相衬或微分干涉差分显微镜的光路结构来生成相干信号，并利用空间光调制器或液晶滤色片来调制相位或波长，这些组件都非常昂贵，需要精密操作，限制了定量相位成像技术的实际应用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种轴向分辨率高且能够分层定量成像的高光谱白光干涉非标记成像方法及活细泡定量断层成像系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种高光谱干涉非标记成像方法，包括以下内容：

s1：将待测活细胞样品置于基底上，入射到活细胞样品的光被细胞膜反射、被细胞内部的细胞器和生物大分子散射、然后被基底反射，其中：

振幅为u(λ)的光束垂直照射到活细胞上，活细胞在细胞膜处的反射信号为：

式中，λ为波长，u1为细胞膜的反射光，n0和n1均为细胞培养液的折射率和基底折射率；

细胞内的散射信号为：

式中，λ0为光的中心波长,i为虚数常量，z是空间高度位置坐标，nδ是活细胞内部折射率变化分布函数；

基底的反射信号为：

式中，d为细胞膜到基底表面的厚度；

多层干涉信号i(λ)的强度等于：

i(λ)＝|u1(λ)+u2(λ)+u3(λ)|²(4)

忽略活细胞内部不同细胞器内膜层之间微小的互相干信号，活细胞的多层干涉光谱反射率表示为：

s2：将多层干涉光谱信息除以照明光谱，得到干涉高光谱信号，将干涉高光谱信号作沿波数维度的均匀采样；

s3：采集标准硅片的干涉高光谱经傅立叶变换后，确定基底的氧化层厚度对应频率的幅值在不同失焦情况下的幅值衰减，将此作为矫正系数，实际样品不同层的幅值除以矫正系数，以完成校准处理；

s4：对每个干涉高光谱信号进行傅立叶变换，所得到的傅立叶变换结果的最大峰值横坐标除以4πn1即细胞膜厚度，各个傅立叶变换结果的幅值根据公式(5)可转换为nδ(z)，进而求得每个断层对应的折射率数值；

s5：按照活细胞三维空间上的相对位置关系，使得傅立叶变换后的每个频率与细胞结构的一层相对应，得到活细胞断层折射率分布的定量信息图像，并将所有断层折射率分布的定量信息图像进行拼接组合，重建出活细胞的三维立体结构。

进一步地，基底采用高反射率基底，所述高反射率基底采用硅基材料、二氧化硅基材料、金属材料、非金属材料、化合物、高分子材料聚合物中的一种。

进一步地，待测活细胞为动植物细胞、病毒、微生物、模式生物、细胞囊泡或细胞碎片。

第二方面，本发明还提供一种活细泡定量断层成像系统，该成像系统包括光源、光学显微成像系统、细胞培养箱、电动平移台、光谱仪和计算机；所述光学显微成像系统包括聚光准直镜、第一分束镜、第二分束镜、物镜和成像透镜，所述光谱仪的输入端设置在所述成像透镜焦点处，所述光谱仪的输出端连接所述计算机；所述细胞培养箱固定设置在所述电动平移台上部；所述光源发出的光经所述聚光准直镜准直成平行光后入射到所述第一分束镜；经所述第一分束镜透射的光通过所述物镜会聚到所述细胞培养箱内的活细胞样品上，经活细胞反射或散射的光被所述物镜准直成平行光后，沿原光路返回所述第一分束镜，经所述第一分束镜反射后垂直发射到成像透镜，经所述成像透镜出射的光通过所述第二分束镜；所述光谱仪接收经所述第二分束镜透射后，被所述成像透镜汇聚在焦点上的单个像素的干涉高光谱信息，并发送到计算机；所述计算机控制所述电动平移台完成细胞样品的对焦，且所述计算机获得焦平面所有像素点的干涉高光谱信息，对所有像素点的干涉高光谱信号进行处理，得到活细胞的定量断层成像结果，并通过调整所述电动平移台逐层获得活细胞的定量断层成像，然后将所有断层图像通过进一步的拼接组合，重建出活细胞的三维立体结构。

进一步地，该成像系统还包括相机，所述相机采集经所述第二分束镜反射的宽场显微成像图像发送到所述计算机，所述计算机通过判断图像清晰度，并控制所述电动平移台的运动进行z向调焦反馈控制，实现对细胞样品进行对焦，然后完成对活细胞的扫描。

进一步地，所述计算机内设置有电动平移台控制单元、记录单元和计算单元；

所述电动平移台控制单元用于控制电动平移台移动到测量采样点；

所述记录单元用于采集每一测量采样点的光谱数据；

所述计算单元用于将每个测量采样点的光谱与照明光谱相除，并将干涉高光谱做均匀采样和傅立叶变换，得到每个像素点在不同断层处的折射率数值，直至整个活细胞扫描完毕，按照活细胞三维空间上的相对位置关系，得到活细胞断层折射率分布的定量信息，完成长时程的活细胞定量断层成像。

进一步地，所述细胞培养箱包括箱体本体、ito玻璃、加热膜、加湿盒和载物台；

所述箱体内设置有所述载物台，所述载物台顶部通过弹簧片压设所述ito玻璃；

所述箱体内设置有加热膜，通过所述计算机根据温湿度对所述加热膜反馈控制，使所述箱体保持所需温度；

所述箱体内设置有加湿盒，所述加热膜对所述加湿盒内部的水加热，以保障所述箱体内的相对湿度足够培养细胞；

所述箱体还设置有进水口、二氧化碳入口、电气连接口、培养液进口和培养液出口，所述进水口用于对所述加湿盒加水，所述二氧化碳入口用于向所述箱体内通入二氧化碳，所述电气连接接口用于将加热膜、温湿度传感器、二氧化碳传感器连接计算机，所述培养液出口用于抽取已经使用过的培养废液，所述培养液进口用于通入新鲜培养液体。

进一步地，该成像系统还包括一光纤，所述光纤的一端固定在所述成像透镜的焦点，所述光纤的另一端连接所述光谱仪的输入端。

进一步地，所述光源采用led、卤钨灯、氙灯、白光光源、红外光光源、紫外光光源；所述分束镜采用平面镜分光、二向色镜分光或棱镜分光。

进一步地，所述电动平移台采用五维电动平移台，所述五维电动平移台包括xyz三维电动平移台和xy二维压电陶瓷平移台。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明可以在没有任何外源标记物的情况下，获得整个活细胞的定量形态结构，完成长时程的活细胞定量断层成像；

2、本发明解决了相干累积问题，实现了纳米级轴向分辨率；

3、本发明光程差灵敏度高，能够分辨空间上光程差仅相差几纳米的像素点；

4、本发明将细胞培养箱整合到系统中，实现了活细胞原位定量成像；

综上，本发明能够揭示活细胞自然状态下、动态的、长时程的厚度和折射率分布，是一种全新的非标记活细胞成像手段。

附图说明

图1是本发明的活细泡定量断层成像系统的结构示意图；

图2是本发明的高光谱干涉信号重构原理示意图；

图3是本发明的轴向分辨率仿真示意图；

图4是本发明测量不同厚度二氧化硅氧化层的厚度结果示意图；

图5是采用本发明的活细胞培养结果示意图，图(a)～(c)是温控效果，二氧化碳浓度控制效果和培养细胞24小时后的显微示意图；

图6是采用本发明的断层成像示意图，成像对象为正在分裂的hela细胞，图中灰度代表折射率。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明提供的活细胞定量断层成像系统，包括光源1、反射式光学显微成像系统、细胞培养箱2、五维电动平移台3、光谱仪4和计算机5。反射式光学显微成像系统包括聚光准直镜6、场镜7、第一孔径光阑8、第二孔径光阑9、第一分束镜10、第二分束镜11、物镜12、成像透镜13、光纤14和相机15，光谱仪4的输入端连接光纤14一端，光纤14另一端设置在成像透镜13焦点处，光谱仪4的输出端连接计算机5。

细胞培养箱2固定设置在五维电动平移台3上，五维电动平移台3包括一xyz三维电动平移台和一xy二维压电陶瓷平移台，其中，x、y方向分别指的是长与宽两个方向，z方向指的是高度方向，五维电动平移台3放置在物镜12正下方。

光源1发出的光经聚光准直镜6准直成平行光，场镜7将准直后的平行光进一步变细集中能量，提高边缘光束入射到物镜12的能力，增加入射通量，然后光束经过第一孔径光阑8垂直入射到第一分束镜10，第一孔径光阑用于调制照射入物镜12的光束大小；

经第一分束镜10透射的光通过物镜12会聚到细胞培养箱2内的活细胞样品上，经活细胞反射或散射的光被物镜12收集，并准直成平行光后，沿原光路返回到第一分束镜10，经第一分束镜10反射后垂直发射到成像透镜13，经成像透镜13出射的光发射到第二分束镜13；

经第二分束镜13透射的光进入光纤14，光谱仪4通过光纤14接收成像透镜焦点16上单个像素点的干涉高光谱信息，并将检测结果发送到计算机5；

相机15采集经第二分束镜13反射的宽场显微成像图像，发送到计算机5，计算机5通过判断图像清晰度，并控制五维电动平移台3的运动，进行z向调焦反馈控制，实现对细胞样品进行对焦，然后完成对活细胞的扫描；

计算机5获得焦平面所有像素点的干涉高光谱信息，并通过基于傅立叶变换的高光谱白光干涉解析方法，对所有像素点的干涉高光谱信号进行处理，得到活细胞的定量断层成像结果。需要说明的是，计算机5可以通过调整五维电动平移台3的z向步长，逐层获得活细胞的定量断层成像，并通过对定量断层图像重建，获得活细胞三维立体图像。

上述活细胞定量断层成像系统，优选地，计算机5内设置有电动平移台控制单元、记录单元和计算单元；电动平移台控制单元用于控制五维电动平移台移动到测量采样点；记录单元采集每个测量采样点的光谱数据；计算单元将每个测量采样点的光谱与照明光谱相除，并将干涉高光谱做均匀采样和傅立叶变换，得到每个像素点在不同断层处的折射率数值，直至整个活细胞扫描完毕，按照每个像素点在扫描过程中的三维位置，将获得细胞在每个像素上沿高度分布的折射率数值，进行拼接得到活细胞断层折射率分布的定量信息，依次进行完成长时程的活细胞定量断层成像。

上述活细胞定量断层成像系统，优选地，细胞培养箱2包括箱体本体、ito玻璃(导电玻璃)、弹簧片、加热膜、加湿盒和载物台。

箱体内设置有载物台，载物台顶部通过弹簧片压紧ito玻璃，ito玻璃加热以防止细胞培养箱内产生冷凝现象，弹簧片压紧ito玻璃，使得二氧化碳气体不会释放出来；箱体内设置有加热膜，计算机5根据温湿度传感器反馈控制，保持箱体内部环境的温度在37℃或其它细胞最佳生长温度；箱体内设置有加湿盒，加热膜对加湿盒内部的水加热，使其加速蒸发，以保障箱体内的相对湿度足够培养细胞，其中，载物台安置在加湿盒上方；箱体上还设置有进水口、二氧化碳入口、电气连接口和培养液进出口，进水口用于对加湿盒加水，二氧化碳入口用于向细胞培养箱2内通入二氧化碳，电气连接接口用于将加热膜、温湿度传感器、二氧化碳传感器连接计算机，二氧化碳传感器检测细胞培养箱内二氧化碳浓度，给出反馈信号，以便计算机5控制二氧化碳气体的进入或关闭；温湿度传感器检测细胞培养箱内的温湿度，给出反馈信号以便计算机5控制加热膜是否通电加热；培养液出口用于抽取已经使用过的培养废液，培养液进口用于通入新鲜培养液体。

上述活细胞定量断层成像系统，优选地，该成像系统还可以不包括光纤14和相机15，直接在成像透镜13的焦点连接光谱仪4的输入端，光谱仪4直接接收成像透镜13焦点的高光谱信息，计算机5可以通过光谱仪4的最大光信号来进行细胞样品的对焦。

上述活细胞定量断层成像系统，优选地，高反射率基底8采用的材料是硅基材料，但是不局限于此材料，可以根据实际需要采用二氧化硅基材料、或其他玻璃、金属材料、非金属材料、化合物、高分子材料聚合物等制作成生物芯片，只要反射率高且能够满足细胞存活即可。其中，高反射率基底指的是对可见光的平均反射率达到60％以上的基底材料，高反射率基底直接放置于载物台之上，细胞样品由于贴壁生长特性自然生长于高反射率基底的上表面。

上述活细胞定量断层成像系统，优选地，光源1可以采用led、卤钨灯、氙灯或其它白光光源、红外光光源、紫外光光源、单色光源中的一种。

上述活细胞定量断层成像系统，优选地，分束镜均可以采用平面镜、二向色镜或分光棱镜。

上述活细胞定量断层成像系统，优选地，光谱仪4采集的有效光谱范围为200nm～1100nm或500nm-2500nm；被测对象为动植物活细胞，但是不限于此，也可以对死细胞、病毒、微生物、模式生物、细胞囊泡、细胞碎片或其他具有光透射、散射和反射的样品等被测对象进行定量成像。

实施例2：

如图2所示，本发明基于干涉原理获取活细胞样品的高光谱干涉信息，通过建立高光谱干涉模型和基于傅立叶变换的高光谱解析算法，实现非标记的细胞定量断层成像，本实施例以单晶硅片这一细胞基底作为实施例，详细进行说明本发明的成像过程，其包括以下步骤：

1、将活细胞样品置于高反射率的单晶硅片基底上，入射光被细胞膜反射、被细胞内部的细胞器和生物大分子散射、再次被高反射基底反射；其中，反射光和散射光产生相干效应，该效应通过高光谱白光干涉信号的形式表现；显微成像的基本结构为正置显微结构，所采集的信号为高光谱信号；成像系统配置有具有长时程细胞培养能力的集成式微型细胞培养装置，本实施例中的参考采样点的光谱，是指活细胞培养基底上没有覆盖活细胞的测量点的反射光；测量采样点的光谱，是指活细胞培养基底上覆盖有活细胞的测量点的反射光。

2、振幅为u(λ)的光束垂直照射到细胞样品上，活细胞在细胞膜处的反射信号为：

式中，λ为光源波长，u1为细胞膜的反射光，n0和n1分别为细胞培养液的折射率和单晶硅片折射率；

细胞内的散射信号为：

式中，将空间内活细胞某点(x,y,z)的折射率表示为n1[1+nδ(x,y,z)]的形式，λ0为光源的中心波长，i为虚数常量，z是空间高度位置坐标，nδ是活细胞内部折射率变化分布函数；

单晶硅片的反射信号为：

式中，d为细胞膜到基底表面的厚度；

多层干涉信号i(λ)的强度等于：

i(λ)＝|u1(λ)+u2(λ)+u3(λ)|²(4)

忽略活细胞内部的不同细胞器内膜层之间微小的互相干信号，活细胞的多层干涉光谱反射率可以表示为：

式中，r(λ)可以看作是一个直流分量，一个余弦项与一系列的正弦项的叠加，其中余弦项的频率与细胞膜的厚度有关，正弦项的频率与细胞内生物大分子和细胞器的轴向分布相关，正弦项的幅值与生物大分子和细胞器的折射率相关；

3、将干涉高光谱信息除以照明光谱，得到干涉反射高光谱信号，将干涉反射高光谱信号做沿波数维度的均匀采样；

4、采集标准硅片的干涉反射高光谱经傅立叶变换后(标准硅片的干涉反射高光谱的获得通过参考采样点进行获取，在此不再赘述)，确定单晶硅片厚度对应频率的幅值在不同失焦情况下的幅值衰减，将此作为矫正系数，实际待测活细胞不同层的幅值除以矫正系数，以完成校准处理；

5、对每个测量采样点干涉反射高光谱信号进行傅立叶变换，所得到的傅立叶变换结果的最大峰值横坐标除以4πn1即细胞膜厚度，其余各个傅立叶变换结果的幅值根据公式(5)可转换为nδ(z)，进而求得每个断层对应的折射率数值。

6、按照活细胞三维空间上的相对位置关系拼接，将傅立叶变换后的每个频率与细胞结构的一层相对应，得到活细胞断层折射率分布的定量信息。

如图3所示，当样品厚度增加89.21nm时，fft变换峰出现的位置增加1。这表明所提出的方法能够区分高度相差89.21nm的两个点。轴向分辨率也可以通过fft的频率分辨率定义计算其理论值：

式中，raxial指是系统的轴向分辨率，f0是fft变换的频率分辨率，而t指的是在波数维度的采样长度。

如图4所示，对于二氧化硅层厚度为520nm的单晶硅片基底(单晶硅片基底由两层构成，下层是硅材料，上层是二氧化硅层)，该方法的检测结果为519.4±0.34nm。对于二氧化硅层厚度为680nm的单晶硅片，该方法对二氧化硅层厚度的检测结果为678.8±0.33nm。对于二氧化硅层厚度为800nm的单晶硅片，该方法对二氧化硅层厚度的检测结果为800.8±0.43nm。对于二氧化硅层厚度为910nm的单晶硅片，该方法对二氧化硅层厚度的检测结果为911.3±0.22nm。对于二氧化硅层厚度为940nm的单晶硅片，该方法对二氧化硅层厚度的检测结果为940.4±0.36nm。以上检测结果对实际厚度的决定系数达到0.9999，最大的误差仅为1.3nm。二氧化硅层的折射率为1.47，因此光程差的成像灵敏度可以计算为：1.3×1.47＝1.911nm。

如图5所示，对于所提出的细胞培养箱的温度控制，上升时间为1分钟，稳态误差为0.42℃，超调为0.8℃；二氧化碳浓度控制，上升时间为3分钟，稳态误差为0.262％。培养箱可培养活细胞24小时，细胞的存活率为100％，细胞浓度为9.38/ml。

如图6所示，本发明可对活细胞进行培养同时成像，在60分钟内记录了分裂中的hela细胞四层(z＝3.3μm，z＝4.0μm，z＝4.7μm和z＝5.4μm)的定量断层图像，细胞增殖期间断层成像结果中的灰度表示的是细胞内各个体素点的折射率信息。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后，依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。