基于单片机的活体成像箱系统自动化控制

为了高效地进行活体生物成像实验,以及基于生物应用场景和成像仪器的开发要求,设计并实现了近红外二区活体成像箱的自动化控制。设计的主控模块为达芬奇开发板TKM32,实现自动化控制的主要元器件为数字舵机和步进电机。设计包括了时间门控成像、自动化升降平台、光源跟随系统、自动调焦等。本系统的自动化实现为生物医学工程领域小动物活体成像实验的研究提供了助力。     

静态锥束CT成像系统的几何标定方法研究

采用X射线源阵列的静态CT成像系统为消除机械运动伪影,提高重建图像质量以及扫描成像效率提供了有效途径。高效、准确的几何标定方法是对X射线源阵列标定的关键。提出通过对一个已知三维标定模板的一次投影成像,采用最小二乘的直接线性变换法实现X射线成像系统的内、外参数准确估计的方法,以此方法用于静态CT扫描成像系统的几何标定。实验和仿真结果表明,该标定方法无需辅助装置,避免了满足要求条件的多次投影成像的过程;不受标定模板空间姿态的限制,一个X射线源与探测器的几何标定只需一次投影成像过程,方法简单、准确、易于操作,适于平面探测器的静态锥束X射线源阵列的成像系统几何参数的准确标定。     

基于Turbo PMAC的自动化工业CT检测系统研究与开发

该文研究并开发了一种自动化工业CT检测系统,以Turbo PMAC运动控制卡为核心,构建了机械运动系统和电气控制系统,对各运动轴进行了合理的功能分配,形成了CT扫描运动系统和自动化样品输送、夹取系统,并对各运动轴进行了PID调节,使各运动轴获得了较高的稳态响应特性和动态响应特性,最后以Microsoft Visual Studio作为开发平台,采用C++语言开发了人机交互界面,编写了自动检测程序,实现了小批量自动化CT检测流程,提高了工业CT检测系统的自动化程度和检测效率。     

空间超大幅宽低畸变红外成像扫描控制

本文以空间超大幅宽低畸变红外变焦扫描成像系统为研究对象,分析给出地面畸变与成像系统瞬时视场角的关系,提出变速扫描成像并推导了扫描角速度公式。为解决匀速360°旋转扫描效率低和双向摆动扫描成像需安装扫描线矫正器所导致的系统复杂性高、可靠性低的缺点,设计了一种正弦加速度快速回扫的方法。对变速扫描以及正弦加速度快速回扫方法进行了仿真及实验,结果表明扫描控制系统慢速扫描与快速回扫之间状态切换稳定,扫描起止角度误差仅为1.44角秒,扫描速度稳定度为±0.5%,扫描成像过程时间误差为83μs,回扫时间误差为250μs,整个扫描周期时间偏差小于1倍像元积分时间(355μs),扫描效率达86%,在提高了扫描效率的同时减小对扫描机构的冲击与振动,满足成像要求。正弦加速度快速回扫方法对机载红外扫描成像系统快速回扫运动设计也具有一定指导意义。     

基于连续扫描方式的激光共焦扫描显微镜的研制

研发了一套基于连续扫描的激光共焦扫描显微镜(laser confocal scanning microscopy,LCSM)系统。该系统采用工作台连续运动方式实现扫描,提出了利用单次采集的数据滤除随机噪声的方法,避免了多帧取平均对成像速度造成的影响。实现连续扫描的关键在于解决工作台运动与数据采集的同步问题,利用采集卡有限采集模式,合理匹配工作台参数和采集参数,成功解决了这一问题。详细介绍了影响分辨率的因素,通过合理选取探测器针孔直径,取样间隔,确保了实现高分辨率的要求。系统利用Visual C#开发的控制平台,成功地对生物细胞进行了扫描成像。实验结果表明:基于连续扫描的LCSM具有较高的分辨率,生成的显微图像没有任何畸变,并且成像速度有了大幅度提高。     

基于无线工业以太网的DR柔性检测装置控制系统设计

DR成像是一种直接将X射线转换为数字图像的成像方式。该检测方式具有准确度高、透视性能好等优点,但其系统复杂、效率低等不足,这限制了DR成像检测的应用。在一种多级升降机构的基础上,采用无线工业以太网传输模块实现了对DR检测装置的远距离控制,完成了硬件系统设计和控制软件的开发与调试工作,将研制成功的DR检测装置应用于电力变电站设备的检测中,使操控人可以远离辐射源,并可以对成像装置进行连续操控,提高了DR成像装置的工作效率。     

基于VC++的纳米分辨远场光学共焦成像系统的扫描控制

为降低纳米分辨远场光学共焦成像系统的出错率和提高此系统的实验效率,设计了纳米分辨远场光学共焦成像系统的扫描控制子系统。纳米分辨远场光学共焦成像系统的主要组成器件为纳米移动平台,被测物体置于此平台上随平台移动而运动。如何使被测物体作有规律的运动是实验能否成功的关键。采用VC++开发平台设计的扫描自动控制子系统即为解决这一问题而开发。子系统使用方便、界面友好。     

面向显微操作的生物自动化捕捉系统研究

在生物显微操作实验中,安全稳定地捕捉生物目标具有极其重要的意义。针对传统人工操作效率低、可重复性差等问题,提出了一套面向显微操作的生物自动化捕捉系统,通过视觉反馈以及闭环控制,使用微移液管自动化抽吸在液体生长介质中的生物对象。首先采用粒子群算法对传统图像分割算法进行优化,以实现视野中生物目标与移液管位置的同步实时跟踪;然后建立了微移液管捕捉过程的动力学模型,采用非线性干扰观测器来抑制模型参数的不确定性及环境干扰,并建立了闭环控制系统;最后通过实验验证系统性能。实验测得系统的图像平均分割时间为81.05 ms,捕捉平均所需时间1.85 s,捕捉平均最大误差0.34 mm,捕捉成功率94%。实验表明,系统可以在不同光源及视野中存在微量干扰的环境下实现准确、快速、无损捕捉生物对象,并具有良好的鲁棒性。该方法的潜在应用包括胚胎玻璃化冷冻、胚胎干细胞移植、卵裂球活检、细胞力学性质检测等。     

飞点扫描X射线背散射系统研究

围绕车辆贩运违禁品的精确、快速查缉需求,开展了小型化、低辐射的飞点扫描X射线背散射系统研究。设计了小型化飞点扫描X射线背散射系统的斩波机构、背散射探测器。利用研制的系统开展了X射线背散射成像实验,研究了X射线能量、功率对系统成像对比度和信噪比的影响。实验表明,系统成像分辨率约为2 mm,能够准确检测出隐藏在陶瓷物品中的毒品模拟物。小型化飞点扫描X射线背散射系统的研究可为车辆安检难题和降低检测中的辐射危害提供参考。     

OLED微显示器的原子扫描策略

为了实现2K及以上超高清微型显示器的高效率高性能扫描,建立了微型显示器的原子扫描模型。对该模型采用的数学矩阵、基于分形延伸的植入运算进行研究,提出了原子扫描策略并推导了原子扫描序列。首先,对现有的PWM(脉冲宽度调制)扫描策略进行扫描性能分析。然后,在分析比较几种扫描策略性能的基础上,说明原子扫描是实现较优性能的最佳选择。实验结果表明:对于256级灰度,采用32位子空间,8位权值比为128∶64∶32∶16∶9∶4∶2∶1的原子扫描策略具有较好的线性度和较高的传输效率。在分辨率为1 600×1 600的原子扫描方案中,时钟频率为50MHz,帧频可达90Hz,线性度接近99.8%,传输效率高达100%,基本满足超高分辨率扫描系统中高帧频、较低时钟、高线性度的要求。     

激光扫描共聚焦光谱成像系统

在激光扫描共聚焦显微成像技术基础上引入了光谱成像技术以便区分生物组织中的不同荧光成分。采用分光棱镜对荧光进行光谱展开,在光谱谱面处设置两个可移动缝片形成出射狭缝,两个步进电机带动安装其上的两个缝片设置系统在整个工作波长（400~700 nm）内的光谱带宽,其最小光谱带宽优于5 nm。用488 nm激光和低压汞灯实际测量了几条谱线对应的狭缝位置并和理论值做了比较,结果显示实际狭缝位置和理论值的差值均小于0.1 mm。在全光谱和50 μm出射狭缝（对应2.5 nm光谱带宽）对老鼠肾脏组织进行了共聚焦光谱成像实验,获得了老鼠肾脏组织中DAPI标定的细胞核图像和Alexa Fluor^®488标定的肾脏小球曲管图像,实现了对老鼠肾脏组织不同成分的区分。实验结果表明：提出的系统能够进行共聚焦光谱成像,扩大了共聚焦显微镜的适用范围。     

A novel light source for SICM–SNOM of living cells

We have developed a novel light source for use in a scanning near‐field optical microscope (SNOM or NSOM) based on a nanopipette whose distance from the sample surface is controlled using scanning ion conductance microscopy. The light source is based on the general principle of the chemical reaction between a fluorophore in the pipette and ligand in the bath, to produce a highly fluorescent complex that is continually renewed at the pipette tip. In these experiments we used fluo‐3 and calcium, respectively. This complex is then excited with an Ar⁺ laser, focused on the pipette tip, to produce the light source. This method overcomes the transmission problem of more traditional SNOM probes and has been used to acquire simultaneous high‐resolution topographic and optical images of biological samples in physiological buffer. A resolution of ～220 nm topographic and ～190 nm optical was determined through imaging fixed sea‐urchin sperm flagella. Live A6 cells were also imaged, demonstrating the potential of this system for SNOM imaging of living cells.     

Fiber optic light collection system for scanning-tunneling-microscope-induced light emission

We report a compact light collection scheme suitable for retrofitting a scanning tunneling microscope (STM) for STM-induced light emission experiments. The approach uses a pair of optical fibers with large core diameters and high numerical apertures to maximize light collection efficiency and to moderate the mechanical precision required for alignment. Bench tests indicate that efficiency reduction is almost entirely due to reflective losses at the fiber ends, while losses due to fiber misalignment have virtually been eliminated. Photon-map imaging with nanometer features is demonstrated on a stepped Au(111) surface with signal rates exceeding 10(4) counts/s.     

Ultra‐thin resin embedding method for scanning electron microscopy of individual cells on high and low aspect ratio 3D nanostructures

The preparation of biological cells for either scanning or transmission electron microscopy requires a complex process of fixation, dehydration and drying. Critical point drying is commonly used for samples investigated with a scanning electron beam, whereas resin‐infiltration is typically used for transmission electron microscopy. Critical point drying may cause cracks at the cellular surface and a sponge‐like morphology of nondistinguishable intracellular compartments. Resin‐infiltrated biological samples result in a solid block of resin, which can be further processed by mechanical sectioning, however that does not allow a top view examination of small cell–cell and cell–surface contacts. Here, we propose a method for removing resin excess on biological samples before effective polymerization. In this way the cells result to be embedded in an ultra‐thin layer of epoxy resin. This novel method highlights in contrast to standard methods the imaging of individual cells not only on nanostructured planar surfaces but also on topologically challenging substrates with high aspect ratio three‐dimensional features by scanning electron microscopy.     

Infrared scanning for biomedical applications

The great interest in using infrared imaging for biological and medical applications is motivated by the harmless interaction of small doses of infrared radiation with biological objects and by the technical ability of infrared digital cameras to generate, produce, store, and display the resultant images in situ. In this study, we review the state of the art of infrared (IR) imaging in comparison with well established medical imaging techniques such as ultrasound and x-rays. We demonstrate for the first time that by using IR transmitted light, one can observe bones, tendons, cartilages, and other tissues. The IR long-focus scanning microscope was built to allow two modes of scanning. The first mode is when illumination of a biological object is performed at the same angle of view with different IR wavelengths lambda. The second mode is when, for fixed wavelength lambda, scanning of the source of light around the object is performed. We discuss the special image processing methods and potential applications of the new scanner for medical diagnostics. This novel, low-cost IR imaging system (hardware and software) allows one to scan biological objects such as human arms, legs, palms, and fingers to differentiate tissues, tendons, muscles, ligaments, blood vessels, bones, and cartilages. Some of these objects cannot be detected by conventional x-rays.     

复合扫描计算机分层成像研究

针对薄板类工件成像,计算机分层成像(CL)技术因无损、直观而应用广泛。 CL 成像方法主要分为直线扫描和圆周扫 描, 直线扫描效率高, 圆周扫描数据均匀性好。 然而, 由于两者的投影数据均不完备, 均存在分层图像混叠及图像边缘不清 晰的问题。 基于此,提出了一种复合扫描 CL(HyCL)成像方法, 由直线扫描和圆周扫描组成。 建立了几何模型, 采用同时迭代 重建图像(SIRT)算法进行了仿真及成像实验, 分析了成像效果及层间混叠表现。 实验结果表明, 相比于相对平行直线移动扫 描 CL(PTCL)、正交直线移动扫描 CL(OTCL)及圆周扫描 CL(RCL), HyCL 的重建结果能够有效减少混叠伪影, 图像特征轮廓 信息能够保留得较为清晰且均匀, 对比度更好。     

大型回转件喷水耦合超声C扫描检测系统

复合材料天线罩在制造过程中可能产生缺陷,为检测某大型回转结构的天线罩,成功研制了一套喷水耦合超声C扫描检测系统。文中介绍了该超声C扫描检测系统的工作原理和系统设计组成,详细阐述了机械扫描装置原理及实现、喷水系统原理及实现以及扫描控制系统和C扫成像系统。文中对试样和天线罩分别进行检测,得到超声C扫描检测图像,并对检测结果进行分析。经过实际应用,该系统操作方便,运行稳定、可靠,大大提高了大型回转件超声检测的质量和效率。