全彩单像素内窥成像系统

单像素成像技术以其较强的弱光探测能力和较宽的工作波段在生物医学成像领域有着广阔的应用前景。通过将单像素成像技术与内窥成像技术相结合,提出两种腹腔镜全彩单像素内窥成像技术方案:一种是RGB三色光源方案将颜色和空间信息分别按时序分配给照明和检测双方,另一种是白光光源方案通过三个探测器同时采集颜色和空间的信息。搭建了两种腹腔镜全彩单像素内窥成像系统,设计了模块化的单像素相机,以多色彩条和肠道模型为成像目标,通过实验从峰值信噪比、结构相似度和成像速度等方面,系统量化分析了两种全彩单像素内窥成像系统的技术指标。实验结果表明,两种方案峰值信噪比和结构相似度接近,而白光光源方案成像速度更快,可以适配各种腹腔镜进行内窥成像,为推动单像素成像在内窥成像领域的应用提供了理论指导。

基于复眼透镜的大面积均匀照明方案研究

为了实现大面积矩形均匀光斑,提出一种基于双排复眼透镜的设计方案。使用TracePro软件对该照明系统方案的效果进行建模仿真,分析了复眼透镜组的间距、后工作距离等参数对光斑面积和均匀性的影响。结果表明,复眼透镜间距越小、后工作距离越大,得到的光斑面积越大;而当间距控制在微透镜焦距附近时,光斑均匀性最佳。利用该设计方案,可在1m的后工作距离得到尺寸350mm×200mm的光斑,光斑中心280mm×160mm范围内光照度均匀性>0.85,该部分面积超过光斑整体面积的60%。该匀光方案有望在医用光疗、路灯照明等大面积均匀光照明领域得到广泛应用。

小动物内镜在在体成像中的应用研究

目的目前小鼠肠道病变监测需要处死小鼠后分离肠道组织进行病理学检查。该研究的目的是构建小动物成像平台,实现肠道病变的在体评估。方法根据电子内镜成像原理搭建小动物成像平台。选取6只Balb-c小鼠分别给予3%葡聚糖硫酸钠(DSS)或蒸馏水自由饮用,监测小鼠生理状况并利用内镜系统观察肠道黏膜损伤。结果所有小鼠均在麻醉状态下进行内镜检查,进镜深度可达3 cm,且无内镜相关并发症发生。内镜下可见DSS组小鼠肠道病变逐渐加重,而对照组小鼠肠道黏膜无明显改变。结论该内镜系统可以对肠道黏膜进行清晰成像,实现病变的在体评估及动态监测。

高速扫描激光共聚焦显微内窥镜图像校正

使用往复式逐行扫描的方式可以提高激光共聚焦显微内窥镜的成像速度和数据利用率,但这种扫描方式也会带来图像畸变和错位问题,从而影响系统成像质量。受扫描畸变影响,图像错位程度不一致,后期处理难以得到理想的校正效果。本文基于共振振镜的运动规律,推导了均匀空间采样过程中的采样时间函数,通过非等时采样方法校正了振镜速度变化带来的横向畸变。利用互相关法评价图像错位程度,采用遗传算法获得最优的采样开始时刻,实现了图像错位的校正。最终通过调整采样开始时刻和时间间隔在数据采集环节校正了图像畸变和错位。为了验证图像畸变校正和错位校正效果,本文搭建了基于往复式逐行扫描方式的激光共聚焦显微内窥成像系统。实验结果表明,该方法能够有效地校正图像畸变和错位,图像的横向分辨率。与现有方法相比,本文方法将图像的局部分辨率由10 pixel提高到6 pixel。

双模切换显微内窥镜成像系统设计及应用

为了将荧光分子成像技术应用于临床进行手术导航、肿瘤边界识别、在体显微病理诊断等,设计了一种双模切换显微内窥镜成像系统,采用荧光素钠作为荧光分子探针,高亮度蓝光LED光源作为荧光激发光源,通过切换内窥成像探头,实现了两个模态下的成像:宽场白光内窥成像模式下进行手术导航,荧光分子成像进行病变肿瘤边界识别;显微内窥成像模式下,进行在体显微病理分析,确定肿瘤良恶性及其种类。本文研究了双模切换显微内窥镜成像系统的光学特性,搭建系统并测试了相关的性能指标,展示了该系统在小鼠肝脏多模式内窥成像下的效果。研究结果表明:宽场内窥成像可以实现组织颜色和边界特征识别,显微内镜成像系统可以实现分辨率达4.4μm的组织显微成像,能够满足在体肿瘤实时手术导航和显微病理诊断的临床需求。

基于线阵CCD的多表面焦点偏移测量

在显微成像过程中,焦点偏移对长时间的活细胞观测等应用有很大影响,自动对焦技术是解决该问题最有效的技术手段之一。反射式的主动式表面偏移测量是显微镜实现自动对焦的关键,但是在存在多个表面反射的情况下如何进行准确的焦点偏移测量仍是需要解决的一个问题。本文提出了一种针对多表面反射的焦点偏移测量方法,该方法采用线阵CCD对反射光斑进行成像,不同表面反射回来的光斑在线阵CCD上可以很好的区分,通过窗口加权质心法够精确地测量所需要的表面反射光斑在CCD上的位移,从而精确测定焦点偏移,在样品干燥和样品湿润的情况下测量精度分别达到106 nm和111 nm。

双色荧光成像在体微型显微镜

目前微型显微镜光学系统大都采用梯度折射率透镜作为物镜,受其色差限制,双色荧光成像效果较差。首先设计了微型消色差镜头代替梯度折射率透镜,分别以大脑皮层和深层成像为应用方向设计了两套光学系统,视场为1.10 mm×1.10 mm和0.77 mm×0.77 mm,分辨率都达到3.47μm;其次,设计了数据采集电路,实现10帧/s的双色荧光同时成像,并将视频数据存储于内置存储卡中,去除了线缆对动物行动的限制;最后,通过优化结构设计形成了双色荧光成像微型显微镜样机,整体重量为6.2 g,方便动物随身佩戴。通过双色荧光微球仿体成像实验验证了该设备的技术指标及可靠性,预期在脑科学研究中具有较好应用价值。

基于荧光微球的显微镜点扩散函数修正模型

为了修正显微镜点扩散函数荧光微球传统测量方法中微球直径对测量结果的影响、提高显微镜点扩散函数的测量精度,采用理论仿真、最小二乘拟合的方法,建立荧光微球等效2维浓度分布,模拟仿真了荧光微球显微成像过程;利用最小二乘拟合以及残差拟合的方法,得到荧光微球直径、荧光微球强度分布半峰全宽与系统实际点扩散函数半峰全宽之间的关系模型,由此模型得到较为准确的系统点扩散函数半峰全宽。结果表明,使用100nm荧光微球对系统点扩散函数进行测量时,相对误差在1%左右。此研究结果说明通过该修正模型可以得到较为准确的系统点扩散函数。

基于一体化微球物镜的超分辨成像系统

利用直径微米量级的透明微球与传统光学显微镜相结合,可以在白光下实现超分辨成像.目前大部分研究是将微球直接播撒到样品表面,由于微球位置的随机性和不连续性导致无法实现特定区域的完整成像,极大限制了该技术的使用范围.使用微探针或微悬臂黏附微球,通过三维位移台精确控制微球位置,一定程度上解决了上述问题,但是需要对微球位置进行精准操控.本文提出了一种结构稳定、参数可控、简单易用的基于一体化微球物镜的超分辨成像系统,对微球与物镜进行了一体化安装设计,通过设计侧视成像及位置反馈系统实现了对微球、物镜和样品三者之间距离的精准控制,结合通用的显微成像系统,实现了对可控特定区域的超分辨成像.该系统将普通显微物镜(40×,NA 0.6)的分辨能力提高了4.78倍,最高可以看到100 nm的样品特征.该一体化物镜可以搭配普通光学显微系统使用,实现超分辨成像,提高了微球超分辨技术的通用性,在亚衍射极限样品的超分辨成像方面具有广泛的应用价值.

高精度GPS工程控制网天线高问题

介绍GPS接收机天线的基本结构和天线高的量取方法,从基线向量、闭合差、大地高、点位坐标等方面,阐述了天线高误差对平差计算造成的影响,说明在高精度GPS测量中要重视天线高问题,并探讨了天线高粗差探测的方法。

在土木建筑施工中节能环保技术的应用

土木工程施工中造成的环境污染和资源浪费一直是我国相关部门重点关注的问题,为了保证我国人民的生活环境,节能环保技术的推行是势在必行的。因此,在实际施工中,相关工作人员应合理制定施工方案、做好施工现场的环境保护、积极采用可再生能源、积极倡导节能环保理念,从多方面因素提高土木工程施工中节能环保技术的应用效益。

共聚焦激光显微内窥成像中PMT与APD探测器性能对比分析

共聚焦激光显微内窥镜(CLE)可以进行在体组织显微成像,实现实时病理学诊断,而光电探测器作为CLE系统的核心部件,影响共聚焦图像质量。对比分析光电倍增管(PMT)和雪崩光电二极管(APD)在CLE中的性能表现,建立基于PMT和APD探测电路的CLE成像信号信噪比分析模型,理论分析光电探测器及其放大电路噪声、放大增益、输入光信号等参数对成像信号信噪比的影响。搭建基于PMT和APD双光路探测系统,对均匀荧光溶液和组织样品进行成像。研究结果表明,当样品荧光功率大于10 nW时,所选取PMTSS与APD120A2的输出图像质量接近,信噪比相差小于0.67 dB,APD以更高的性价比实现与PMT相当的成像性能。

一种新型光学多通池系统应用于烟雾箱内挥发性有机化合物探测

介绍了Chernin型多通池的原理、设计及应用,该系统稳定性好,调节简单,光程在3—330m的范围内可调.通过对NO2的痕量探测,验证了该系统的稳定性及可靠性,在37m的吸收光程内,NO2的探测极限达19.1μg/m3.同时,利用该系统对烟雾箱内的邻、间、对-二甲苯,甲苯进行了痕量探测,在36m的吸收光程内,探测极限分别达到42.6,15.1,9.9和19.7μg/m3,该系统可以满足烟雾箱内挥发性有机化合物测量的需要,结果可用于研究二次有机气溶胶的生长机理和大气中污染物的光化学反应过程.

基于激光干涉的结构光照明超分辨荧光显微镜系统

结构光照明荧光显微术(SIM)是一种可突破阿贝衍射极限的宽场显微成像技术,因其非侵入、成像速度快及光损伤小等优点在生物医学研究中具有广泛的应用前景。从结构光照明显微成像系统基本原理出发,分析了超分辨图像重构算法原理、重构图像中伪影来源及优化方法;结合研制的线性/非线性结构光照明显微镜,详细讨论了基于激光干涉的SIM成像系统光机结构。重点讨论了系统的同步时序设计和光路中的几个关键技术问题。设计对比实验验证了自主开发的SIM重构算法的可靠性,并基于研制的线性SIM系统开展细胞骨架的成像实验。最后,对SIM技术在生物上的发展和应用提出展望。

结构光照明荧光显微镜突破衍射极限的原理和在生命科学中的应用

传统荧光显微镜的分辨率受到光学衍射极限的限制。使用结构光照明技术,可以实现突破衍射极限的超分辨成像。相对于其他突破衍射极限的超分辨成像方法,结构光照明显微技术具有装置结构简单、成像速度快等优势,在生命科学研究中发挥了重要作用。首先分析了基于结构光照明的二维超分辨率荧光成像、三维层析荧光成像和非线性结构光照明超分辨荧光显微成像的原理和图像处理算法,并根据不同的结构光产生机理,对基于光栅光调制、基于液晶空间光调制器光调制和基于数字微镜阵列光调制的结构光照明荧光显微镜装置做了阐述和比较,最后概述了结构光照明荧光显微镜在观察生物样品结构特性和动态特性中的应用。

基于数字微镜器件并行共焦成像的光点阵列优化

数字微镜器件(DMD)的灵活性有助于实现并行共焦成像。设计并搭建了基于DMD的并行共焦成像系统,分析了DMD光点阵列对轴向分辨率、横向分辨率和图像对比度的影响,得出了最优光点阵列参数。结果表明:光点越小,则横向和轴向分辨率越高;当光点间距大于光点大小时,增大光点间距对成像的横向分辨率无明显改善;对于1×1微镜,光点间距为光点大小的4倍时对应的图像对比度最高,即1×1光点大小、4倍光点间距为最优光点阵列。对数值孔径为0.25的物镜而言,最优光点阵列对应的横向分辨率优于512lp/mm,轴向分辨率可达7.82μm,均达到衍射极限。基于最优光点阵列的三维体光栅成像比宽场成像具有更高的分辨率和明显的层切效果,与激光扫描共焦成像相比无较大差距。基于DMD的并行共焦成像系统在保证高速成像的前提下,实现了高分辨率和高图像对比度的光学层切成像,在实时成像和三维成像中有一定的优势和应用前景。

腹腔镜激光散斑血流成像技术

激光散斑衬比成像(LSCI)技术广泛应用于大视场的组织表层血流成像,当需要实时在体监测生物体深层组织或腔内组织的血流分布及变化时,将LSCI与内镜成像技术结合是解决LSCI成像深度问题的有效途径。为此,搭建了商用腹腔镜LSCI成像系统,并对微流体仿体和兔子大肠进行成像。实验结果表明,所搭建的系统可以校正静态散射以及消除系统噪声对散斑衬比度的影响,利用单次曝光下的散斑衬比测量值可以实现血流的定量监测,该商用腹腔镜LSCI成像系统将具有重要的临床应用潜力。

经小鼠活体肠镜行肠黏膜下注射建立结直肠癌原位模型的研究

目的 搭建小鼠活体肠镜平台,直视下建立小鼠结直肠癌原位模型,并观察其转移等生物学行为.方法 8周龄雄性C57/BL小鼠经麻醉后,分别用自主研发活体结肠软镜及奥林巴斯URF-P5输尿管软镜观察小鼠肠腔,对比成像效果.肠镜直视下将人结肠癌HT-29细胞注射至BALB/c-nu小鼠结肠黏膜下,注射后第3、7、15天复查肠镜,观察肠腔内成瘤情况.当小鼠体质量明显下降、呈恶病质时,予处死,探查腹腔,观察腹腔内成瘤及转移情况,标本送病检.结果 自主研发搭建的小鼠活体肠镜平台可清晰观察肠腔,未致小鼠死亡.在小鼠活体肠镜直视下行肠黏膜下注射HT-29细胞,穿孔率为15％,小鼠死亡率为33.3％,成瘤率为62.5％,腹腔转移率为60％,肝脏转移率为25％,腹壁转移率为25％.结论 自主研发搭建的小鼠活体肠镜平台能用于小鼠活体结直肠研究,其成像效果不亚于奥林巴斯URF-P5输尿管软镜;此外,结合黏膜下注射技术,可建立符合结直肠癌临床病理过程的原位模型.