數(shù)字全息技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像和分析中的應(yīng)用

何梓玉　高敬

摘要：數(shù)字全息是將原先的干板用光電傳感器件代替，以此來(lái)對(duì)全息圖進(jìn)行記錄，并將全息圖存入到計(jì)算機(jī)中，并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行光學(xué)模擬衍射，實(shí)現(xiàn)物體的全息再現(xiàn)。數(shù)字全息技術(shù)由于其特有的優(yōu)勢(shì)作用，在生物醫(yī)學(xué)成像中具有明顯的作用。本文介紹了數(shù)字全息技術(shù)的相關(guān)背景以及目前在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字全息技術(shù) 生物醫(yī)學(xué) 成像

在不斷進(jìn)行的生物科學(xué)的研究過(guò)程中，主要是希望能夠在一定的培養(yǎng)液內(nèi)與相應(yīng)的自然條件下，獲得一些相關(guān)研究特定細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、生理學(xué)參數(shù)、細(xì)胞對(duì)于藥物的反應(yīng)等信息，然后通過(guò)一系列的研究得到對(duì)人類有用的信息。在比較早期的研究方法中，主要是使用顯微成像方式獲得細(xì)胞的形態(tài)等信息，但隨著時(shí)代的發(fā)展，這種成像方式由于其劣勢(shì)已經(jīng)不適應(yīng)與現(xiàn)代的生物醫(yī)學(xué)成像的研究了。傳統(tǒng)的顯微成像速度較慢且只能呈現(xiàn)出二維的狀態(tài)，但是目前我們的研究人員需要的是可呈現(xiàn)出三維狀態(tài)且成像較快的技術(shù)，所以數(shù)字全息技術(shù)的發(fā)展正好滿足了這一需求。

一、全息數(shù)字技術(shù)

全息數(shù)字技術(shù)主要是指以攝像機(jī)等電子成像器件代替普通全息千板作記錄介質(zhì)來(lái)獲取全息圖，并將其存入計(jì)算機(jī)，然后在計(jì)算機(jī)上用數(shù)字方法進(jìn)行重現(xiàn)的一種技術(shù)。有顯微成像技術(shù)到全息數(shù)字技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)廣泛的發(fā)展，中途出現(xiàn)過(guò)激光共焦顯微鏡和光學(xué)相干層析術(shù)、希爾伯特變換相位顯微術(shù)（HPM）、傅里葉變換相位顯微術(shù)（FPM）和衍射相位顯微術(shù)（DPM）等。但這些方法都在時(shí)代的發(fā)展中由于其本身的缺點(diǎn)別淘汰了。相比于只能呈現(xiàn)出二維與成像較慢的顯微成像技術(shù)，全息數(shù)字技術(shù)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：1.省去了在顯微成像技術(shù)中需要進(jìn)行的用羅丹明、吖啶橙或綠色熒光蛋白等物質(zhì)對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行染色預(yù)處理的過(guò)程，且不用經(jīng)歷曝光、顯影與定影的物理化學(xué)處理過(guò)程，不僅僅節(jié)省了時(shí)間。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2.數(shù)字全息處理技術(shù)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字圖像技術(shù)引入，所以可以使得圖像的處理更加簡(jiǎn)單，不僅能夠減少噪音，還提高了圖像的成像質(zhì)量。3.全息數(shù)字技術(shù)的與顯微成像技術(shù)的最大不同在于全息數(shù)字技術(shù)可以離開光源進(jìn)行成像，且同時(shí)能夠獲得物體的振幅與相位圖。4.全息數(shù)字技術(shù)可以快速聚焦?？焖俪上瘢覉D像是三維的，這也是在不斷的需求中所發(fā)展的。

二、數(shù)字全息技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用

生物細(xì)胞都處在一個(gè)較小的數(shù)量級(jí)上，一般而言，都在亞微米到幾十微米量級(jí)，所以面向生物醫(yī)學(xué)的數(shù)字全息技術(shù)是分辨生物細(xì)胞形態(tài)的重要工具。目前所用的生物醫(yī)學(xué)數(shù)字全息技術(shù)裝置主要有兩種，一種是預(yù)放大數(shù)字全息顯微成像裝置，另一種是無(wú)透鏡傅里葉變換數(shù)字全息成像裝置。

（一）預(yù)放大數(shù)字全息顯微成像裝置

預(yù)放大顯微成像裝置主要是未來(lái)提高成像分辨率所以在物體和全息圖平面之間放置了一個(gè)顯微物鏡。為了方便放置生物培養(yǎng)皿，成像系統(tǒng)為倒置結(jié)構(gòu)，激光器發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖，又被光纖分束器分為兩束，分別作為物光和參考光；物光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后從上往下照在培養(yǎng)皿上，參考光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直后與經(jīng)顯微物鏡放大后的物光發(fā)生干涉，利用CCD探測(cè)得到全息圖，經(jīng)后續(xù)數(shù)值處理，即可再現(xiàn)生物細(xì)胞的形貌信息。預(yù)放大數(shù)字全息預(yù)放大數(shù)字全息顯微成像的特點(diǎn)是視場(chǎng)較小、分辨率高，容易受到噪聲的干擾。

（二）無(wú)透鏡傅里葉變換數(shù)字全息成像裝置

無(wú)透鏡傅里葉變換數(shù)字全息成像裝置主要是將激光器發(fā)出的光由偏振分束棱鏡分成兩束光波，一束為物光，另一束為參考光，在實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)光路使點(diǎn)光源和待測(cè)樣品到CCD平面的距離相同，實(shí)現(xiàn)物光與參考光共面。無(wú)透鏡傅里葉變換數(shù)字全息圖本質(zhì)是記錄了物體的頻譜，通過(guò)全息圖進(jìn)行一次快速逆傅里葉變換即可實(shí)現(xiàn)數(shù)值再現(xiàn)。與預(yù)放大數(shù)字全息相比，無(wú)透鏡傅里葉變換數(shù)字全