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(毕业设计论文)《便携式实时共聚焦显微镜的研制》

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    • 1、 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY学士学位论文学士学位论文THESIS OF BACHELOR论文题目:便携式实时共聚焦显微镜的研制 学生姓名: 学生学号: 5050809167 专 业: 生物医学工程 指导教师: 学院(系): 生物医学工程 便携式实时共聚焦显微镜的研制摘要共焦显微镜能无创地对厚的透明和半透明物质内的薄截面成高分辨率、高对比度的像 1。采用共焦光学技术可观察组织表面 200 微米深的细胞精细结构与生物化学成份,因而非常适合于皮肤疾病的病理诊断。我们搭建了一套用于人体皮肤的反射式实时激光共聚焦 显微镜。整个系统包括光学部分模块,扫描部分模块,同步电路和计算机处理模块及接口。 利用一个多面镜和检流计,可以对 1.4mm x1.4mm 的区域以 10 帧/s 成 1000 x1000 的像。 利用一对侧向的步进电机,我们使视野扩展到 7mm x7mm。利用 z 轴的步进电机,轴向扫 描分辨率可以达到 3 微米。NI 公司的图像采集卡 PCI-1410 可以对雪崩式光电二极管 (APD)获得的图像信息和同步电路产生的水平和垂直同步信号进行处理,输出视

      2、频信号。 整套系统采用 LabVIEW 软件进行控制。关键词:共聚焦显微镜,多面镜,步进电机,PCI-1410,LabVIEW CONSTRUCTION OF A PORTABLE CONFOCAL MICROSCOPE FOR IMAGING HUMAN TISSUE IN VIVOABSTRACTA confocal scanning microscope is capable of noninvasively imaging thin sections within a thick transparent or translucent object with high resolution and contrast. The use of confocal optical technology can observe the fine structure and biochemical composition of cells 200- micron deep from the surface, thus it is very suitable for pathological

      3、diagnosis of skin diseases. We have built a real time confocal scanning microscope for reflectance imaging of human skin. The whole system includes the optical module, scanning modules, synchronization circuit, computer processing and the interface modules. A polygon mirror is utilized together with a galvanometer to realize a 1000x1000 image at a frame rate of 10 fps, covering a scan field of 1.4mm x1.4mm. A pair of lateral stepping motors are employed which extends the filed-of-view to 7mm x 7

      4、mm. By using z-stepping motors, axial scan is realized with the resolution of 3 microns. NI image acquisition card PCI-1410 can process the image information detected by the anavalanche photodiode (APD) and the horizontal and vertical sync signals generated by synchronization circuit, then output video signal. The entire system is controlled using LabVIEW software.Key words: confocal microscope, polygon mirror, stepping motor, PCI-1410, LabVIEW目录第一章第一章绪论绪论.1 1.1共聚焦显微镜的特点.1 1.2共聚焦显微镜的类型.2 1.3共聚焦显

      5、微镜的运用.4 第二章第二章原理与技术分析原理与技术分析.5 2.1原理及验证.5 2.1.1光路原理图5 2.1.2扫描光线特性分析6 2.2技术指标分析.8 第三章第三章搭建光路搭建光路.10 3.1多面镜及其控制.10 3.2检流计及其控制板.12 3.3光路模拟.13 3.3.1光学设计13 3.3.2装配体光路模拟16 第四章第四章视频时钟电路视频时钟电路.20 4.1视频信号基础.20 4.2同步电路.21 4.2.1电路板前期工作22 4.2.2电路调试及改进25 4.2.3未完成电路部分及设想28 第五章第五章软件控制部分软件控制部分.30 5.1利用 MAX 调试 PCI-1410.305.2LabVIEW 控制步进电机 .34 5.2.1步进电机硬件驱动345.2.2LabVIEW 通过并行接口控制步进电机 .35 5.2.3步进拼图38 第六章第六章结论结论.40 参考文献参考文献.41 谢辞谢辞.42 译文及原文译文及原文.43第一章第一章 绪论绪论共聚焦显微术的概念自 20 世纪 50 年代末由美国的 Minsky 提出以来,随后 P.Davidovits,

      6、A.f.Slomba 和 C.J.R.Sheppard 等多位学者对共焦成像进行了更细致的研究。越 来越多的基于共焦原理的显微镜被开发出来。但是由于计算机发展水平的制约,直到 70 年 代才有真正使用的共聚焦显微镜问世,80 年代中期才有商品机型出售。九十年代以来随着 计算机图像处理技术的发展,共聚焦显微术三维层析能力的优点逐渐凸现出来。与传统显 微镜相比,其具有高分辨率特别是纵向高分辨率,以及数字图像三维层析的特点,受到越 来越多专家的重视,被广泛应用于生物医学、材料科学、微电子制造、精密测量等领域的 检测与分析。1.1共聚焦显微镜的特点共焦显微镜具有高分辨率尤其是纵向高分辨率的特点,使得它可以对样品的轴向进行 光学层析,从而可以重构出样品的三维图像。它突破了普通光学显微镜衍射极限的限制, 横向分辨率是相同数值孔径的普通光学显微镜的 1.4 倍2。纵向分辨率可以达到亚微米级, 因此可以对厚的生物样品进行轴向层析。 自 20 世纪 80 年代以来,有几个研究小组报道用共聚焦扫描显微镜对人和动物的细胞 和细胞核细节在体成像。而与之相对比的是,传统组织学活检包括组织切割,固定,切薄 片、染

      7、色等过程,因此,组织活检具有侵入式,痛苦,对检查部位有创伤,留疤痕,且难 于准确定位特定的需检查部位等缺点。在一些外科手术中,例如 Moh 给出的基底细胞癌手 术流程,需在手术室进行组织学切片(确定肿瘤的边缘) 。一般情况下,需要切 2-4 片,每 一片的组织学处理需要 15-45 分钟。综上所述,组织活检在临床上是既费时而又昂贵的诊 断方式。共聚焦扫描显微镜则无需这样耗时的等待,且能给医生提供非侵入的实时的图像 诊断。3 随着过去十几年的发展,基于体表的皮肤影像学检测方法包括皮肤镜,皮肤超声等得 到了迅速发展。其中皮肤镜只能对皮损表面进行检查,对于深层皮肤结构无能为力;皮肤 超声虽然能对深层皮肤结构进行检测,但其图像分辨率较低,不能根据其声像图来判断皮 肤肿瘤的良恶性和确定皮损的浸润范围,其检查结果也易受患者的体位,探头的压力等多 种因素影响。 目前基于体表的在体三维成像的主要技术手段包括高频率超声波技术(High-frequency Ultra- sound) ,磁共振成像技术(MRI),光学相干成像技术(OCT),以及光学共聚焦成像技 术(Confocal Imaging)。这些

      8、技术在探测深度和分辨率上的比较见图图 1-11-1。图图 1-1-1 1 不同技术方案探测深度及分辨率的比较不同技术方案探测深度及分辨率的比较1.2共聚焦显微镜的类型随着共焦技术的不断发展和完善,目前已经研制出许多类型不同的共聚焦激光扫描显 微镜,虽然都以共焦技术为基础,但它们却都有着各自的特点。按扫描方式划分,被广泛 运用的扫描机制有:(i)扫描针孔磁盘系统, (ii)利用声光偏转器件(AOD) , (iii)共振 镜扫描系统,和(iv)多面镜扫描系统。这些技术都有相对的技术优势,并且容易建造。 扫描磁盘系统的工作原理为:利用 Nipkow 盘,上面布满了一连串以螺旋形式排列的 小孔,当磁盘转动时,每一个小孔会经过样本的不同部位,起到快速扫描的作用。如图图 1-1- 2 2 所示4。对于扫描磁盘系统的一个主要缺点是光线通量非常低,因为针孔的孔径只是光盘 区域的一小部分。尽管这可以通过增加微透镜阵列来克服这一局限,但其昂贵的造价和复 杂的工艺常常限制了普通用户的使用。图图 1-1-2 2 利用利用 NipkowNipkow 盘扫描的共聚焦显微镜原理盘扫描的共聚焦显微镜原理声光偏转器的工

      9、作原理为:压电变换在晶体中会产生频率为 f、传播速度为 V 的平面超声波,此波在晶体中引起折射率随空间位置不同而周期性地变化,对光波起偏转光栅的作 用。如图图 1-31-3 所示。共聚焦扫描显微系统的计算机控制模块将电压经过 D/A 装换为一定频 率的电磁场,作用于声光晶体上,改变声光晶体的光学折射率,确定扫描光斑在样本上的 位置,从而实现对样本的二维扫描成像。这类激光扫描器的优点是可以获得很高的扫描频 率,扫幅图象只需要秒的时间。基于 AOD 的设计的一个主要限制是 AOD 的波长依赖的, 所以荧光发射无法原路通过 AOD。此外,利用 AOD 还需要复杂的光束整形的光学器件, 对于个体建造者来说又是一个挑战。图图 1-1-3 3 声光偏转器声光偏转器利用共振镜扫描系统的工作原理为:将一面镜子固定在一根以固定频率振动的轴上。 由于照明光束在入射到扫描振镜上后被偏转,对成像视场要求将扩大,所以在控制轴外像 差同时,必须对图像进行适当的线性补偿,以减小共聚焦显微镜成像失真5。而且由于振 镜振动的扫描方式是连续的,会有回扫的问题,后期还需要对所获得的图像信息进行处理 才能得到正确的图片。图图 1-1-4 4 共振镜扫描头共振镜扫描头44多面镜扫描器用一面旋转地多面镜棱镜,可以使光束线性得在样品上进行扫描,只要 均匀得对所获得的图像信息进行采样就可以获得正确的图像信息。另外,旋转多面镜可以 使光束产生 180的偏转角,就不会产生回扫,获得更高质量的图像。缺点是在水平方向 放大不方便,因为扫描角度是根据多面镜固定的。图图 1-1-5 5 采用多面镜扫描的共聚焦显微镜系统采用多面镜扫描的共聚焦显微镜系统661.3共聚焦显微镜的运用目前,对共聚焦扫描显微镜的应用主要集中在生物医学研究以及材料的生产检测两个 领域中。 共聚焦扫描显微镜在生物医学研究中的应用7,8: 传统的光学显微镜(CM)被大量地应用于生物医学研究领域中,但却受到了其分辨率的 限制。虽然使用大孔径物镜可以在一定范围内提高其分辨率,但由于衍射极限的存在,这

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