基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法
【专利摘要】一种基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法，属于实验装置及方法【技术领域】。将微米级荧光示踪粒子添加到制备微尺度薄膜的试剂中，制备得到含有示踪粒子的薄膜。通过荧光显微镜和高速摄像技术记录薄膜内荧光粒子在显微镜下进入和离开焦平面的变化过程，利用matlab分析不同时间下的图像灰度，记录其变化规律并分析得到薄膜振动频率。本发明可以适用于不能安装传感器的微尺度薄膜上，所涉及的测量方法和处理方法成熟，可靠性可以得到保证，并且操作过程简单。
【专利说明】基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法，通过荧光 显微镜和高速摄像技术记录薄膜内荧光粒子的变化过程，利用matlab分析不同时间下的 图像灰度，记录其变化规律并分析得到薄膜振动频率。
【背景技术】
[0002] 随着小尺度化学或生物分析系统的大力发展，涉及微全分析系统（micro total analysis ayatems，μ TAS)或芯片实验室（lab-on-a-chip)的各种类型的微流控设备被广 泛设计和研究，应用于微尺度研究的测量设备和方法得到了广大研究者们的重视。由于微 流控设备的尺度很小，涉及到长度的大部分参数的常规测量方法均不能被应用于微尺度研 究中，通常需要借助显微镜等一些放大设备或探索新型测量方法等。
[0003] 图像分析技术在现阶段的实验研究中被广泛应用，在实验流体力学领域的粒子图 像测速技术（particle images velocimetry，PIV)为其重要的应用形式之一。其中示踪粒 子与激发光源的结合，使记录水流状态的图像信息成为可能，同时图像分析技术又将图像 信息转化成为流场的速度信息。借助于显微镜的帮助，PIV技术可以转化为应用于微流动 实验中的微尺度粒子图像测速技术（micro particle images velocimetry，micro_PIV)， 该技术为微流动实验中最为常见和有效的测速方法。另外，高速摄像技术也是微流控实验 中的常用方法之一。由于微流动实验的流速相对于模型尺寸而言通常很大，想要获得较连 续的流动状态通常需要拍摄的频次较高，因而需要高速摄像技术提供影像拍摄。
[0004] 基于常规测量方法在微尺度研究中的局限性，以及图像分析技术和显微镜在微尺 度研究中的成熟应用，为得到微尺度下的某些物理参数，尝试各种测量方式的有益结合成 为解决问题的突破点。微尺度下测量薄膜的机械振动时，由于不能在其上安装传感器并且 薄膜通常都为透明材质不利于采用干涉原理测量，因此需要采用新型的测量方法来实现其 机械振动的测量。
【发明内容】
[0005] 本发明是基于图像灰度分析技术，测量微尺度薄膜振动频率的一种方法。通过荧 光显微镜和高速摄像技术记录薄膜内荧光粒子的变化过程，利用matlab分析不同时间下 的图像灰度，记录其变化规律并分析得到薄膜振动频率。
[0006] 本发明所述基于图像灰度分析技术的微尺度薄膜振动频率的测量方法，主要包括 以下步骤：
[0007] 1)示踪粒子添加：微流控实验中所用薄膜结构通常为 PDMS(polydimethylsiloxane)材料烧筑制得。将micro-PIV实验所用微米级示踪粒子干燥 后添加到PDMS预制试剂中，混合均匀后将PDMS试剂放于硅片上甩制形成薄层胶质膜（膜 厚与PDMS预制试剂的配合比例以及甩胶机的转速有关），最后放于烘箱中使胶质膜凝固形 成固体弹性膜。该固体膜中含有荧光示踪粒子，在荧光显微镜下粒子能够被荧光激发，发出 亮光。
[0008] 2)图像采集：将在微流控实验中受流动或者其他外力作用而发生振动的薄膜放 于连接高速摄像机的荧光显微镜之下，在荧光光源下，调节显微镜的焦平面以及放大倍数， 使薄膜中的荧光粒子有明显的进入和离开焦平面的过程（即视野内的荧光粒子有明显的 忽明忽暗的变化），设置合适的图像采集频次，得到粒子变化的视频。
[0009] 3)图像处理：利用matlab编写图像处理程序，分析某个粒子的图像的灰度随时间 的变化，并得到各种灰度图像出现频次，出现最多的频率即为薄膜振动的主频。
[0010] 本发明可以适用于不能安装传感器的微尺度薄膜上，所涉及的测量方法和处理方 法成熟，可靠性可以得到保证，并且操作过程简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法的操作步骤 流程图。
[0012] 图2是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法的用于图像 分析的某一工况下粒子灰度变化图示例。
[0013] 图3是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法针对某一工 况的振动分析结果。
[0014] 图4是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法的某一应用 实例与该实例其他分析结果的对比。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合本发明的内容提供下壁面为弹性薄膜壁面的T形微通道中，薄膜随流动 振动的频率测量过程，并与该实例的其他方式的频率分析结果进行对比，具体步骤为：
[0016] 样本制备过程：
[0017] a.将micro-PIV (微流体粒子图像测速仪）实验所用微米级示踪粒子干燥后添加 到PDMS (聚二甲基硅氧烷）A胶和B胶混合剂中，混合均匀后将PDMS试剂置于常温真空环 境中析出气泡，然后放于硅片上甩制形成薄层胶质膜最后放于烘箱中使胶质膜凝固形成固 体弹性膜（该固体膜中含有荧光示踪粒子，在荧光显微镜下粒子能够被荧光激发，发出亮 光）。
[0018] b.将未添加示踪粒子的PDMS (聚二甲基硅氧烷）A胶和B胶混合剂混合均匀，然 后将该试剂置于常温真空环境中析出气泡，将其浇筑到含有T形微通道凸模的硅片上，并 放于温度为65°C的烘箱中1小时左右，使其凝固。待PDMS凝固之后，将其从硅片模板上揭 下，并切割出带有完整T形微通道结构的微流控芯片的主体部分。
[0019] c.将含有T形微通道凹槽的PDMS微流控芯片主体部分的出入口处用打孔器打孔， 取含有示踪粒子的PDMS薄膜，并将二者键合形成T形微通道芯片（其中薄膜部分为芯片的 下底面）。
[0020] d.将c步骤中制作好的芯片部分与凹字形的PDMS基底键合（使芯片上的T形通 道主体部分悬空，出入口部分接触基底，以保证基底对芯片部分的支撑作用）。然后将基底 下底面与载玻片键合，制作完成能够直接用于显微镜实验的微流控芯片样本。
[0021] 流动实验过程：
[0022] a.将步骤1)中制作完成的芯片样本置于显微镜荧光之下，将注射泵驱动下的互 不相容的液体分别通过分散相入口和连续相入口注入芯片中，进行两相流动实验。
[0023] b.荧光显微镜上连接高速摄像机，在荧光光源下调节显微镜的焦平面，使视野内 产生示踪粒子的明暗变化过程，在流动维持30分钟（使流动相对稳定）后，拍摄一段时间 内（3-5分钟）的变化状态。
[0024] 薄膜振动频率分析：
[0025] a.编写matlab程序，提取并记录每巾贞图像上所选取样本点的灰度，分析不同灰度 出现的时间间隔，进而得到不同灰度出现的频率以及频谱，主频即为薄膜的振动频率。
[0026] b.将步骤2)中所得视频导入到matlab程序中，框选样本粒子后分析得到频谱，得 到薄膜的振动频率。
[0027] 频率验证：
[0028] a.将步骤2)中的显微镜调成常规光源照射，高速摄像机拍摄常规光源下液滴生 成过程的图像。
[0029] b.人工计算液滴或者利用matlab程序通过记录液滴通过通道内任意位置的时间 间隔，得到液滴生成的频率。
[0030] c.通过分析知，该实例中薄膜的振动由液滴生成时的压力变化所引起，因此该振 动频率应该与液滴生成频率一致。即步骤3)中所得频率与4)中结果一致，如图4。
【权利要求】
1. 基于图像灰度分析技术测量微尺度薄膜振动频率的方法；通过荧光显微镜和高速 摄像技术记录薄膜内突光粒子的变化过程，利用matlab分析不同时间下的图像灰度，记录 其变化规律并分析得到薄膜振动频率；其特征在于：高速摄像机记录3?5分钟内荧光粒 子进入和离开显微镜焦平面的过程，即荧光粒子的明暗变化，利用matlab程序分析该过程 中粒子在每帧图像的灰度，得到该粒子图像灰度随时间，即图像的帧次与相邻两帧间隔时 间的乘积的变化状况，该变化为周期性变化，主周期的倒数即为荧光粒子的振动频，也就是 薄膜的振动频率。
2. 根据权利要求1所述的一种基于图像灰度分析技术测量微尺度振动频率的方法， 其特征在于：利用各帧图像的灰度随时间即图像的帧次与相邻两帧间隔时间的乘积变化状 况，该变化为周期性变化，主周期的倒数即为所摄物体的振动状况。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于图像灰度分析技术测量微尺度振动频率的方 法，其特征在于：主要包括以下步骤： 1) 示踪粒子添加：微流控实验中所用薄膜结构通常为聚二甲基硅氧烷 PDMS(polydimethylsiloxane，）材料烧筑制得；将微流体粒子图像测速仪micro-PIV实验 所用微米级示踪粒子干燥后添加到聚二甲基硅氧烷PDMSA胶和B胶混合剂中，混合均匀后 将PDMS试剂放于硅片上甩制形成薄层胶质膜最后放于烘箱中使胶质膜凝固形成固体弹性 膜；该固体膜中含有荧光示踪粒子，在荧光显微镜下粒子能够被荧光激发，发出亮光； 2) 图像采集：将在微流控实验中受流动或者其他外力作用而发生振动的薄膜放于连 接高速摄像机的荧光显微镜之下，在荧光光源下，调节显微镜的焦平面以及放大倍数，使薄 膜中的荧光粒子呈现聚焦和失焦的过程，即视野内的荧光粒子有忽明忽暗的变化，设置高 速摄像机合适的图像采集频次，得到粒子变化的视频；所述合适的图像采集频次为保证10 帧图像处于一个振动周期之内； 3) 图像处理：利用matlab编写图像处理程序，分析某个粒子的图像的灰度随时间的变 化，并得到各种灰度图像出现频次，出现最多的频率即为薄膜振动的主频。
【文档编号】G01H9/00GK104089696SQ201410307243
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】刘赵淼, 逄燕, 曹刃拓 申请人:北京工业大学