Bright-field and fluorescence chip-scale microscopy for biological imaging

Optical microscopy is an essential tool in biological science and one of the gold standards for medical examinations. Miniaturization of microscopes can be a crucial stepping stone towards realizing compact, cost-effective and portable platforms for biomedical research and healthcare. This thesis reports on implementations of bright-field and fluorescence chip-scale microscopes for a variety of biological imaging applications. The term “chip-scale microscopy” refers to lensless imaging techniques realized in the form of mass-producible semiconductor devices, which transforms the fundamental design of optical microscopes.

Our strategy for chip-scale microscopy involves utilization of low-cost Complementary metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensors, computational image processing and micro-fabricated structural components. First, the sub-pixel resolving optofluidic microscope (SROFM), will be presented, which combines microfluidics and pixel super-resolution image reconstruction to perform high-throughput imaging of fluidic samples, such as blood cells. We discuss design parameters and construction of the device, as well as the resulting images and the resolution of the device, which was 0.66 µm at the highest acuity. The potential applications of SROFM for clinical diagnosis of malaria in the resource-limited settings is discussed.

Next, the implementations of ePetri, a self-imaging Petri dish platform with microscopy resolution, are presented. Here, we simply place the sample of interest on the surface of the image sensor and capture the direct shadow images under the illumination. By taking advantage of the inherent motion of the microorganisms, we achieve high resolution (~1 µm) imaging and long term culture of motile microorganisms over ultra large field-of-view (5.7 mm × 4.4 mm) in a specialized ePetri platform. We apply the pixel super-resolution reconstruction to a set of low-resolution shadow images of the microorganisms as they move across the sensing area of an image sensor chip and render an improved resolution image. We perform longitudinal study of Euglena gracilis cultured in an ePetri platform and image based analysis on the motion and morphology of the cells. The ePetri device for imaging non-motile cells are also demonstrated, by using the sweeping illumination of a light emitting diode (LED) matrix for pixel super-resolution reconstruction of sub-pixel shifted shadow images. Using this prototype device, we demonstrate the detection of waterborne parasites for the effective diagnosis of enteric parasite infection in resource-limited settings.

Then, we demonstrate the adaptation of a smartphone’s camera to function as a compact lensless microscope, which uses ambient illumination as its light source and does not require the incorporation of a dedicated light source. The method is also based on the image reconstruction with sweeping illumination technique, where the sequence of images are captured while the user is manually tilting the device around any ambient light source, such as the sun or a lamp. Image acquisition and reconstruction is performed on the device using a custom-built android application, constructing a stand-alone imaging device for field applications. We discuss the construction of the device using a commercial smartphone and demonstrate the imaging capabilities of our system.

Finally, we report on the implementation of fluorescence chip-scale microscope, based on a silo-filter structure fabricated on the pixel array of a CMOS image sensor. The extruded pixel design with metal walls between neighboring pixels successfully guides fluorescence emission through the thick absorptive filter to the photodiode layer of a pixel. Our silo-filter CMOS image sensor prototype achieves 13-µm resolution for fluorescence imaging over a wide field-of-view (4.8 mm × 4.4 mm). Here, we demonstrate bright-field and fluorescence longitudinal imaging of living cells in a compact, low-cost configuration.

Accelerogram processing using reliability bounds and optimal correction methods

This study addresses the problem of obtaining reliable velocities and displacements from accelerograms, a concern which often arises in earthquake engineering. A closed-form acceleration expression with random parameters is developed to test any strong-motion accelerogram processing method. Integration of this analytical time history yields the exact velocities, displacements and Fourier spectra. Noise and truncation can also be added. A two-step testing procedure is proposed and the original Volume II routine is used as an illustration. The main sources of error are identified and discussed. Although these errors may be reduced, it is impossible to extract the true time histories from an analog or digital accelerogram because of the uncertain noise level and missing data. Based on these uncertainties, a probabilistic approach is proposed as a new accelerogram processing method. A most probable record is presented as well as a reliability interval which reflects the level of error-uncertainty introduced by the recording and digitization process. The data is processed in the frequency domain, under assumptions governing either the initial value or the temporal mean of the time histories. This new processing approach is tested on synthetic records. It induces little error and the digitization noise is adequately bounded. Filtering is intended to be kept to a minimum and two optimal error-reduction methods are proposed. The "noise filters" reduce the noise level at each harmonic of the spectrum as a function of the signal-to-noise ratio. However, the correction at low frequencies is not sufficient to significantly reduce the drifts in the integrated time histories. The "spectral substitution method" uses optimization techniques to fit spectral models of near-field, far-field or structural motions to the amplitude spectrum of the measured data. The extremes of the spectrum of the recorded data where noise and error prevail are then partly altered, but not removed, and statistical criteria provide the choice of the appropriate cutoff frequencies. This correction method has been applied to existing strong-motion far-field, near-field and structural data with promising results. Since this correction method maintains the whole frequency range of the record, it should prove to be very useful in studying the long-period dynamics of local geology and structures.

利用本征脸方法减少冷原子云吸收成像照片中的干涉条纹

本征脸方法是广泛应用于人脸识别的一种图像处理方法，本文将其引入到原子芯片上囚禁的冷原子云吸收成像照片的图像处理中，以减少其中的干涉条纹，增加信噪比。本文首先介绍了吸收成像照片的标准处理方法以及干涉条纹的产生原因，由于参考照片和吸收成像照片中的干涉条纹会发生随机的相对变化，处理后干涉条纹难以消除。和标准的处理方法相比，本征脸方法不是使用1张而是50张参考照片，利用这些照片重构出一张新的参考照片，这张照片比那50张中的任何一张都更近似于吸收成像照片，因此和只使用1张参考照片相比，处理之后的干涉条纹对比度明显降

Avaliação difratográfica da microestrutura de três resinas compostas submetidas à aplicação de um agente clareador a base de peróxido de hidrogênio

A odontologia moderna utiliza métodos e técnicas ultraconservadores no intuito de corrigir os diversos tipos de alterações cromáticas observadas clinicamente. Os meios empregados baseiam-se na utilização de substâncias químicas à base de peróxidos presentes em diversas concentrações. O presente estudo objetivou avaliar a microestrutura de três resinas compostas fotossensíveis submetidas à aplicação de um agente clareador a base de peróxido de hidrogênio a 35% (Whiteness HP Maxx - fabricante: FGM), ativado por uma fonte híbrida de energia luminosa (Aparelho de Laser-Led Whitening Lase, fabricante: DMC). Para isso, foram confeccionados 30 corpos de prova (CDP) 10 para cada grupo, no formato de discos, com 13 mm de diâmetro e 2,0 mm de espessura em uma matriz de teflon e aço inox, fotoativados por um aparelho de luz halógena convencional (Optilux 401 - Demetron/UR) por 40 segundos com densidade de potência média igual a 450 mW/cm2. Os grupos foram dispostos da seguinte forma: Grupo 1 - resina microparticulada (Durafill VS - fabricante: Heraeus Kulzer); Grupo 2 - resina micro-híbrida (Esthet-X - fabricante: Dentsply); e Grupo 3 resina nanoparticulada (Filtek Supreme XT fabricante: 3M ESPE). Todos os materiais restauradores utilizados eram da cor A2. Após serem submetidos à sequência de acabamento e polimento os CDP foram armazenados por sete dias em saliva artificial, limpos em ultra-som, envelhecidos artificialmente de acordo com a norma ASTM G 154. Os CDP dos três grupos foram aleatoriamente divididos em 2 subgrupos (ST sem tratamento e CT com tratamento) e finalmente submetidos aos experimentos. Os CDP dos subgrupos 1-ST, 2- ST e 3-ST foram triturados (SPEX SamplePrep 8000-series, marca: Mixer/Mills) seguido pela verificação dos materiais por meio de um espectrômetro (marca/modelo: Shimadzu EDX 720) para certificação da ausência de elementos pertencentes ao meio de moagem e por fim foram levados a um difrator de raios-X (marca / modelo: Philips -PW 3040 -X'Celerator- 40kV; 30mA; (λ): CuKα; 0,6; 0,2mm; 0,05 (2θ); 2s; 10-90 (2θ). Em seguida os CDP dos subgrupos 1-CT, 2- CT e 3-CT foram tratados com o peróxido de hidrogênio de acordo com o protocolo do fabricante para a fonte híbrida luminosa de energia selecionada, totalizando 9 aplicações de 10 minutos, onde eram respeitados os tempos de 3 minutos de ativação por 20 segundos de descanso, finalizando 10 minutos em cada aplicação. Mediante a este tratamento, os CDP dos subgrupos CT eram verificados e avaliados pelo mesmo método descrito anteriormente. Após interpretação gráfica, análise comparativa por meio do processamento digital das imagens no programa KS400 3.0 (Carl Zeiss Vision) e análise de concordância por cinco avaliadores calibrados utilizando um escore, pôde-se concluir que houve degradação estrutural e que as estruturas cristalinas das resinas estudadas foram afetadas de forma distinta quando tratadas pelo peróxido de hidrogênio; onde observou-se que: Grupo 1 > Grupo 3 > Grupo 2. Foi sugerido a realização de novos estudos, relacionados à interação do peróxido de hidrogênio às resinas compostas.

基于分支设置的质量导引相位展开算法

二维相位展开方法是近年来较为活跃、引起关注的一个研究课题，它在许多测量应用中有着重要的作用。尽管掩膜阻断算法在多个领域都有成功应用实例，该算法存在着固有的缺陷。为了克服掩膜阻断算法的缺陷，综合分支阻断方法和质量导引方法的优点，提出一种基于分支设置的质量导引相位展开新算法。它先以一个初始质量图来引导分支的设置，然后把分支对应的相位质量设置为最低，从而产生一个新的质量图，最后按新质量图来引导相位展开，并使用几个包裹相位图来验证此方法的有效性。计算机模拟相位图和实际相位图的相位展开结果表明，在存在复杂轮廓不连续

光学干涉图像处理中基于质量权值的离散余弦变换解包裹相位

为减少噪声对相位恢复过程的影响,快速得到正确的解包裹相位,提出了一种改进的相位解包裹方法——加权离散余弦变换解包裹算法。该方法把离散余弦变换和标识相位数据好坏的质量权值结合起来,兼有速度快和可靠度高的优势。为验证此算法,对模拟和实验得到的包裹相位图添加随机噪声和散粒噪声,同时采用加权与非加权离散余弦变换算法进行处理,所得到的解包裹结果与未加噪声的解包裹相位值进行比较,结果表明,通过加权离散余弦变换算法恢复的相位图比非加权离散余弦变换算法所恢复的相位图更接近于理想值,而且两种算法的运行速度基本相同,这证明提

Microtomografia com Raio X e processamento de imagem na obtenção da porosidade do concreto

O objetivo principal desse trabalho foi utilizar métodos não destrutivos (END), como a microtomografia com Raio X e técnicas de obtenção e processamento de imagens, para obtenção da porosidade do concreto. Foram utilizados dois métodos. Em um método as imagens foram obtidas por meio de microtomografia por Raio X e no outro foi utilizado um escâner comercial para obtenção das imagens. Essas imagens foram processadas por meio de técnicas de processamento de pixel e morfologia matemática. Os resultados obtidos para a porosidade foram comparados com resultado obtido por meio do método proposto pela NBR 9778 (2005) (Absorção de água, índice de vazios e massa específica em argamassa e concreto endurecido). As imagens microtomográficas das amostras de concreto foram obtidas num sistema Skyscan 1172 com 256 tons de cinza, ajustadas em contraste, binarizadas e filtradas. No outro método foi utilizado um Escâner Comercial com resolução de 2400 dpi para adquirir as imagens, sendo também utilizadas técnicas de processamento de pixel e morfologia matemática para processá-las. Os resultados dos valores da porosidade mostraram compatibilidade entre os dois métodos apresentados e o método proposto pela NBR 9778 (2005). Observou-se que os resultados obtidos por microtomografia foram mais confiáveis, mas o método utilizando o escâner comercial se apresentou como um método aceitável por seus resultados e principalmente por seu baixo custo e facilidade de operação.

基于向量变换的包裹相位场预处理与信息完整性探讨

针对包裹相位场在消除噪声的特别要求,提出了对包裹相位场预处理的向量滤波方法。理论分析了功率谱密度和向量变换的滤波思想。仿真实验研究了滤波模板的大小对滤波效果的影响,比较了在同样模板的选取下向量滤波方法与二次均值滤波法的滤波效果,分析了向量滤波方法与二次均值滤波法的功率谱密度分布。结果表明,相比二次均值滤波法,向量滤波法在降噪的同时,相位图依然清晰,它的功率谱密度分布没有明显变化,预处理后频谱信息的丢失远小于二次均值滤波。向量滤波法在提高信噪比的同时,信息的完整性得到较好保证。

激光束质量实时测量技术

提出一种新型光束质量实时测量技术, 该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统, 一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上, 用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。