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)處理的過程，且不用經(jīng)歷曝光、顯影與定影的物理化學(xué)處理過程，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。快速成像，且圖像是三維的，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）無透鏡傅里葉變換數(shù)字全息成像裝置

無透鏡傅里葉變換數(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，無透鏡傅里葉變換數(shù)字全