一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法

本发明属于生物医学光学、食品药品及化工检测系统开发领域，涉及基于分振幅偏振测量的无标记多层级结构样本多模态检测系统。

背景技术：

1、生物医学、药品生产、食品科学、化工等领域涉及到多层级样本的检测，例如活细胞、微纳米包裹液滴等，尽管标记检测技术已在这些领域应用，然而其光毒性、光漂白性、颜色通道有限以及环境污染等问题，制约其广泛应用于各种样本和场景的检测。因此研究一种无标记的多层级样本检测系统及方法具有重要意义。

2、多层级结构样本，以生物医学领域重要检测对象-细胞为例，目前对细胞进行无标记检测的方法主要是通过光散射信号反演细胞整体尺寸、细胞悬浮液整体折射率以及耦合折射率和高度信息的相位等信息，然而对多层级结构样本内部结构成分的无标记检测却是尚未解决的难题。对此本发明提出一种基于偏振成像的多层级结构样本检测方法，利用分光棱镜将成像光路分为两路，反射光路采用一部光强型cmos和一部偏振cmos分别记录光强图和偏振图像，透射光路采用一部偏振cmos记录偏振图像，对两路进行信息提取和计算得到圆偏振度图像和定量相位图像，进一步计算和图像配准后进行信息融合得到细胞内部折射率分布及精准高度信息，其中高度信息反映样本内部结构，折射率信息反映样本内部成分，因此可以实现多层级结构样本内部结构与成分的检测与反演。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服上述现有技术不足，为无标记多层级结构样本内部结构成分的检测提供新方法，提出一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法。无需对样本进行标记处理，通过三部相机分振幅同时成像及像素级图像配准，实现无标记状态下静态或动态微米、纳米多层级结构样本的多模态检测，获取样本折射率与精准高度信息，进一步实现多层级结构样本内部结构成分的检测与反演。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明公开的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其检测系统中光路结构主要包括：圆偏振照明、显微放大、偏振度成像以及定量相位成像部分，两路成像均采用偏振相机。

4、在上述的基于偏振成像的无标记多层级结构样本多模态检测系统中，led发散光源由透镜准直后被调制成圆偏振光束对样本进行照明，后经过显微放大通过非偏振分光棱镜分光，反射光路进行明场和偏振成像获取样本折射率信息，透射光路进行偏振定量相位成像获取样本相位信息，将折射率n信息和相位信息通过像素级的图像配准进行信息融合，获取样本折射率及精确高度h信息。

5、本发明公开的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，主要包括以下操作步骤：

6、s1、样本经圆偏振光照明、显微放大后进行分光，反射光路基于光强型cmos11和第一偏振cmos13位置标定后获取样本圆偏振度docp信息，透射光路基于第二偏振cmos18偏振成像获取样本在焦与离焦图像；

7、s2、依据数学模型σ＝-τ·[ln(docp)]-1计算得到σ分布，样本折射率n∝σ，利用圆偏振度docp图像恢复样本折射率n分布图像，基于样本在焦与离焦图像利用光强传输方程计算得到样本定量相位信息；

8、s3、对两成像光路的偏振cmos进行标定，提取样本及其内部区域位置，将折射率n和相位信息进行像素级的信息融合；

9、s4、相位信息除以折射率n信息获取样本精确高度h分布。

10、在步骤s2中，基于理论数学模型σ＝-τ·[ln(docp)]-1，根据docp图像计算得到σ分布，样本折射率n∝σ，依据样本已知的折射率分布区间[nmin,nmax]建立与[σmin,σmax]的线性映射，得到样品折射率n分布图像。

11、在步骤s3中，首先对两偏振相机位置进行标定处理，获取两相机图像变换矩阵，两偏振成像光路采集偏振图像，经过去噪处理后提取样本及其内部区域位置，将折射率n和相位信息进行像素级的信息融合。

12、在步骤s4中，相位是样本高度与折射率信息的耦合，依据模型其中δn为散射样本与周围介质的折射率之差，根据步骤s2中得到的样本折射率n信息解耦得到样本各个位置精确高度h信息。

13、在上述的基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法中，三部cmos对同一多层级结构样本进行分振幅同时成像，所述样本可以是静态或悬浮液中的动态微米、纳米多层级结构样本，例如活细胞、包裹液滴等。针对本方法可以实现多层级结构内部结构及成分的无标记多模态信息检测的优势，该方法主要应用于生物医学临床检验中的活细胞的病变检测，药品生产、食品科学、化妆品领域中双乳核-壳结构以及多乳包裹液滴包裹率的检测。

14、本发明利用现有的偏振成像技术和基于偏振的定量相位成像技术，将偏振成像获取的圆偏振度信息与折射率相联系，提出折射率反演方法，并将折射率信息与相位信息相融合，进一步提出样本精准高度信息反演方法，其中高度可以反映样本结构，折射率与样本内部成分相关，因此与现有的无标记检测方法相比，本发明可以实现多层级结构样本内部结构及成分的无标记多模态检测与反演。本发明的优势在于：无需对样本标记任何荧光物质或染料，基于双相机图像配准能够保证同一时刻下对同一静态或动态样本的检测，即对样本无任何损伤的前提下就能够获取样本的折射率和精确高度信息。因此，该方法适用于生物医学临床检验中的无标记活细胞的内部病变检测，以及药品加工、食品科学和化工领域中微米、纳米级的包裹液滴包裹率的检测，因此该方法具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，三部cmos对同一多层级结构样本进行分振幅同时成像，实现动态多层级结构样本的多模态信息检测。

3.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，多模态检测方法所需的光学检测系统包括以下部分：led圆偏振照明部分、显微放大部分、偏振度成像部分、定量相位成像部分。

4.根据权利要求3所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，偏振度成像部分采用光强型cmos11和第一偏振cmos13，偏振定量相位成像部分采用第二偏振cmos18。其中圆偏振照明以及显微放大部分竖直搭建于面包板上，显微物镜倒置，倒置的目的在于测量悬浮液中的动态样本。

5.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，在步骤s2中，存在数学模型σ＝-τ·[ln(docp)]-1，根据docp图像计算得到σ分布，样本折射率n∝σ，依据样本已知的折射率分布区间[nmin,nmax]建立与[σmin,σmax]的线性映射，得到样品折射率n分布图像。

6.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，在步骤s3中，首先对两偏振cmos位置进行标定处理，获取两相机图像变换矩阵，两偏振成像光路采集偏振图像，经过去噪处理后提取样本及其内部区域位置，将折射率n和相位信息进行像素级的信息融合。

7.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，在步骤s4中，相位是样本高度与折射率信息的耦合，依据模型其中δn为散射样本与周围介质的折射率之差，根据步骤s2中得到的样本折射率n信息解耦得到样本各个位置精确高度h信息。

8.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，方法中所述样本为静态或悬浮液中的动态微米、纳米多层级结构样本，包括活细胞、包裹液滴。

9.根据权利要求1所述的一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，其特征在于，应用于生物医学临床检验中的活细胞内部病变检测，药品生产、食品科学、化工领域中双乳核-壳结构以及多乳包裹液滴包裹率的检测。

技术总结
本发明公开了一种基于偏振成像的无标记多层级结构样本检测方法，针对生物医学、食品药品、化工等领域多层级结构样本在无标记状态下内部结构成分检测的难题，基于分振幅偏振成像开发了应用于多层级结构的无标记多模态检测方法，检测光路包括圆偏振照明、显微放大、圆偏振度成像以及偏振定量相位成像部分，利用圆偏振度成像获取样本折射率信息反映内部成分，通过偏振定量相位成像得到样本相位信息，将折射率信息和相位信息进行图像配准与信息融合，得到样本精确高度信息反映样本结构，实现多层级结构样本内部结构与成分的检测与反演，对于生物医学领域无标记活细胞的内部病变检测、食品药品及化工领域包裹液滴检测等具有重要的应用价值。

技术研发人员：张璐,王慧君,黄洁,宋驰,樊晨,赵自新,吴涵
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19