数字全息技术在生物医学成像和分析中的应用

何梓玉　高敬

摘要：数字全息是将原先的干板用光电传感器件代替，以此来对全息图进行记录，并将全息图存入到计算机中，并通过计算机进行光学模拟衍射，实现物体的全息再现。数字全息技术由于其特有的优势作用，在生物医学成像中具有明显的作用。本文介绍了数字全息技术的相关背景以及目前在生物医学上的应用。

关键词：数字全息技术 生物医学 成像

在不断进行的生物科学的研究过程中，主要是希望能够在一定的培养液内与相应的自然条件下，获得一些相关研究特定细胞的结构、生理学参数、细胞对于药物的反应等信息，然后通过一系列的研究得到对人类有用的信息。在比较早期的研究方法中，主要是使用显微成像方式获得細胞的形态等信息，但随着时代的发展，这种成像方式由于其劣势已经不适应与现代的生物医学成像的研究了。传统的显微成像速度较慢且只能呈现出二维的状态，但是目前我们的研究人员需要的是可呈现出三维状态且成像较快的技术，所以数字全息技术的发展正好满足了这一需求。

一、全息数字技术

全息数字技术主要是指以摄像机等电子成像器件代替普通全息千板作记录介质来获取全息图，并将其存入计算机，然后在计算机上用数字方法进行重现的一种技术。有显微成像技术到全息数字技术经历了一个广泛的发展，中途出现过激光共焦显微镜和光学相干层析术、希尔伯特变换相位显微术（HPM）、傅里叶变换相位显微术（FPM）和衍射相位显微术（DPM）等。但这些方法都在时代的发展中由于其本身的缺点别淘汰了。相比于只能呈现出二维与成像较慢的显微成像技术，全息数字技术具有以下一些优点：1.省去了在显微成像技术中需要进行的用罗丹明、吖啶橙或绿色荧光蛋白等物质对生物细胞进行染色预处理的过程，且不用经历曝光、显影与定影的物理化学处理过程，不仅仅节省了时间。同时也可以实现实时监测。2.数字全息处理技术将计算机技术与数字图像技术引入，所以可以使得图像的处理更加简单，不仅能够减少噪音，还提高了图像的成像质量。3.全息数字技术的与显微成像技术的最大不同在于全息数字技术可以离开光源进行成像，且同时能够获得物体的振幅与相位图。4.全息数字技术可以快速聚焦。快速成像，且图像是三维的，这也是在不断的需求中所发展的。

二、数字全息技术在生物医学成像中的应用

生物细胞都处在一个较小的数量级上，一般而言，都在亚微米到几十微米量级，所以面向生物医学的数字全息技术是分辨生物细胞形态的重要工具。目前所用的生物医学数字全息技术装置主要有两种，一种是预放大数字全息显微成像装置，另一种是无透镜傅里叶变换数字全息成像装置。

（一）预放大数字全息显微成像装置

预放大显微成像装置主要是未来提高成像分辨率所以在物体和全息图平面之间放置了一个显微物镜。为了方便放置生物培养皿，成像系统为倒置结构，激光器发出的光耦合进光纤，又被光纤分束器分为两束，分别作为物光和参考光；物光经扩束准直后从上往下照在培养皿上，参考光经过扩束准直后与经显微物镜放大后的物光发生干涉，利用CCD探测得到全息图，经后续数值处理，即可再现生物细胞的形貌信息。预放大数字全息预放大数字全息显微成像的特点是视场较小、分辨率高，容易受到噪声的干扰。

（二）无透镜傅里叶变换数字全息成像装置

无透镜傅里叶变换数字全息成像装置主要是将激光器发出的光由偏振分束棱镜分成两束光波，一束为物光，另一束为参考光，在实验中调节光路使点光源和待测样品到CCD平面的距离相同，实现物光与参考光共面。无透镜傅里叶变换数字全息图本质是记录了物体的频谱，通过全息图进行一次快速逆傅里叶变换即可实现数值再现。与预放大数字全息相比，无透镜傅里叶变换数字全