一种基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法
技术领域
本发明涉及高浓度微颗粒的检测与计数技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法。
背景技术
微颗粒广泛存在于自然环境和医学领域中，例如海洋微塑料、船舶压载水中的微藻细胞和医学领域中的癌细胞，微塑料一旦大量存在于海洋中，将破坏海洋原本的生态平衡，甚至对海洋中其他生物和人体的生命健康造成威胁，船舶压载水中微藻细胞一旦排放到海洋中，微藻细胞适应环境能力极强，将覆盖水体表面，造成海洋中鱼类因缺氧大量死亡的现象，医学领域中的癌细胞时刻危害着人类的生命健康，因此微颗粒的检测对于自然环境和医学领域都具有重要意义。
随着人们生活条件日益提高，塑料存在于人类生活的各个方面，比如用来收纳物品的塑料袋，大量化妆品中也同样存在微塑料，所以微塑料影响着人类生活的各个方面，塑料制品主要由聚乙烯、聚苯乙烯等组成，塑料不能完全被降解，日积月累就变成了微塑料流入海洋中，由于微塑料的尺寸很小，部分微塑料甚至在微米级别，污水处理系统无法对微塑料进行处理，所以微塑料严重破坏了海洋的生态环境，如果鱼群食用了微塑料，不仅导致鱼类自身的死亡，一旦被上层食物链食入，也会造成各个食物链生物的死亡，破坏了原本食物链的平衡，而食物链的顶端是人类，一旦微塑料到人类体内，会严重危害人类的生命健康，目前，微塑料所产生的相关问题已经得到一定程度的重视，微塑料的检测对海洋生态平衡和人体的生命健康至关重要，所以在排放到海洋的污水中检测是否含有微塑料很有必要，目前，我们需要开发测量准确、简单便携的检测装置与方法。
随着经济发展日趋国际化，船舶运输作为全球各地沟通、贸易的交通方式也在迅速发展，为保证正常的航行，船舶压载水起着至关重要的作用。船舶压载水指的是在运输中加装到船上的水及悬浮物质，用来控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性或应力。当将压载水加装到船上时，各种不同的微生物如浮游生物、细菌以及藻类细胞便会随着压载水加装到船上并传播到世界各地，抵达目的地后，将压载水排出，如果排出的压载水未经过检测和处理，船舶压载水中携带的有害微生物便会排放在当地的海洋中，有害微生物会迅速蔓延，从而破坏当地的海域生态系统，例如，有害藻类大面积繁殖造成其他动植物的死亡，当地物种的多样性受到影响；病毒肆意传播危害人的身体健康。船舶压载水被认为是全球转移有害水生生物和病原体的主要载体之一。每年压载水都会随着船舶大范围转移，由于压载水中可能携带有害微生物，主要包括细菌、有害藻类和其他微生物，如果任意排放可能会对该地区的生态系统、社会经济和公众健康造成危害。外来微生物转移到当地海域被认为成巨大危害。因此对排放的压载水中浮游生物浓度进行了相关规定，同时要求到2016年所有船舶均需要进行压载水处理，该机构旨在保护海洋环境免受压载水的影响。由于微藻在船舶压载水中占有很大的比重，并且微藻对环境的适应能力很强，一旦有害藻类随着压载水排放到当地海洋中，藻类将大面积繁殖，导致其他水体生物无法正常生存，引发赤潮和水华，所以船舶压载水中微藻的检测至关重要。目前，我国海事执法部门尚无法对船舶压载水中微藻进行快速、准确的检测，所以对微藻进行检测的相关研究迫在眉睫。
在医学领域中，各种疾病对人类生命健康的影响不容忽视，其中癌症是威胁人类健康的主要疾病之一，癌细胞广泛存在于医学领域中，人体检查出癌症说明人体内存在癌细胞，癌细胞存在于人体的血液中，为正常的细胞变异而来，癌细胞具有三大特点，分别是能够无限增殖、容易进行转化并且可以实现转移，这也是癌细胞与人体正常细胞的不同之处，正常细胞的致癌因子会因为一些物理、化学、病毒等外界因素导致其体内的原癌基因或者抑癌基因发生突变，转化为癌细胞，癌细胞能够入侵到正常细胞生活的血液中或者周围的淋巴系统中然后转移到身体的其他地方，由于癌细胞的繁殖速度极快，并且对蛋白质的需求也会增多，因此癌组织会掠夺正常组织所需的蛋白质分解产物以供癌组织自身使用，结果可使癌症患者处于严重消耗蛋白质的状态中，使正常的细胞吸收不到足够的营养，从而造成此消彼长的局面。由于癌细胞的影响，体内的正常细胞的数量相对减少，从而使更多的癌细胞转移到体内的各个组织，一旦癌细胞扩散至全身，癌症就已经发展到了晚期，现在的医学领域对于早期的癌症有对应的治疗方案且治疗效果理想，而对于晚期的癌症治疗却没有彻底的治疗方案，所以癌症一旦发展到晚期，会对人体的生命健康造成巨大的威胁，如果能尽早检测出癌细胞将会为人体的生命健康争取到最好的结果，所以对癌细胞的检测在医学领域具有重大意义。
综上所述，微颗粒较为普遍的存在自然环境和医学领域中，所以微颗粒的检测对于海洋的生态平衡、人体的生命健康和医学领域尤为重要。
目前，微塑料的检测方法包括显微镜观察法、傅里叶变换-红外光谱分析法、拉曼光谱法、扫描电镜及能谱仪法等；微藻细胞检测的方法主要有光学显微镜法、荧光显微镜法、流式细胞仪计数法、库尔特计数法、图像分析法、分子及生化方法等；癌细胞检测的方法包括X射线检查、经皮穿刺肺活检、PET-CT等。目前海洋微塑料的检测、船舶压载水中微藻细胞的检测和癌细胞的检测方法种类繁多，但是传统的检测设备步骤繁琐、体积大且价格昂贵，并且容易受主观判断所影响，需要研究人员具有较高的专业知识以及丰富的实践经验，传统的检测设备由于体积巨大也无法带到现场进行快速检测，目前尚无法满足市场的需求，不适合现场的快速检测。所以便携准确的高浓度微颗粒的种类与活性检测及计数是目前研究的重点。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法。本发明可以实现对微塑料、微藻细胞和癌细胞等多种类的高浓度微颗粒的种类与活性检测及计数，同时，还可以实现高浓度微颗粒的现场快速检测和计数且操作过程简单、应用范围广泛、成本低廉、鉴定指标稳定。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法，所述方法包括如下步骤：
S1、基于三波长无透镜全息成像装置，获取待测样品的全息图像；并对全息图像进行三维形貌的恢复和特征分析，得到待测样品的三维形貌；
S2、采用三波长迭代算法对所述得到的待测样品的三维形貌进行处理，得到准确的待测样品的三维形貌；
S3、基于所述准确的待测样品的三维形貌，采用基于灰度值的方法划定待测样品区域，计算图像中各像素点处的灰度值，根据各像素点的灰度值信息得到待测样品的长度与宽度信息，实现高浓度微颗粒的活性检测；
S4、采用分类器对三波长迭代算法处理后的高浓度微颗粒图像进行识别和分类，并对分类后的高浓度微颗粒采用阈值分割的方法进行形态学处理，实现对高浓度微颗粒的计数。
进一步地，所述步骤S1中的三波长无透镜全息成像装置，包括：依次连接的光源驱动组件、光源、微孔组件、光传播组件、样品台组件、图像采集组件以及图像处理组件；
所述光源驱动组件控制光源分别发出红光、绿光和蓝光，光透过微孔组件将部分相干光发散成球面波，经过光传播组件传播一段距离后到达样品台组件，将物体的透射光作为参考光波，散射光作为物光波，参考光波和物光波相互干涉在图像采集组件形成全息图像，图像处理组件对全息图像进行三维形貌的恢复和特征分析，检测高浓度的微颗粒并进行计数。
进一步地，所述光源驱动组件为51单片机，所述光源为LED光源，所述样品台组件包括聚二甲基硅氧烷片和载玻片，聚二甲基硅氧烷片上凹刻有检测区域，检测区域两端对称连接有样品槽和废液槽，所述图像采集组件为COMS图像传感器，所述图像处理组件为PC机。
进一步地，所述步骤S2中采用三波长迭代算法对所述得到的待测样品的三维形貌进行处理，包括削弱再现像中的共轭像，具体包括：
S21、红光波长设置为λ1，绿光波长设置为λ2，蓝光波长设置为λ3，将红光下记录面的复振幅在λ1下进行数值模拟传播到样品平面；
S22、将相位用原始相位乘λ1/λ2，振幅不变；
S23、将更新后的样品平面波波前在λ2处向CMOS图像传感器平面回传播；
S24、将振幅用绿光下的全息图像的振幅代替；
S25、将蓝光下记录面的复振幅在λ3下进行数值模拟传播到样品平面；
S26、将相位用原始相位乘λ3/λ2，振幅不变；
S27、将更新后的样品平面波波前在λ3处向CMOS图像传感器平面回传播；
S28、将振幅用蓝光下的全息图像的振幅代替；
S29、将蓝光下记录面的复振幅在λ2下进行数值模拟传播到样品平面；
S30、将相位用原始相位乘λ2/λ1，振幅不变；
S31、将更新后的样品平面波波前在λ1处向CMOS图像传感器平面回传播；
S32、将振幅用红光下的全息图像的振幅代替；
S33、重复步骤S21-S33直到达到收敛状态。
进一步地，所述步骤S3中采用基于灰度值的方法划定待测样品区域，包括根据待测样品与其他区域灰度值差距，对待测样品区域进行划分。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法，可以实现对微塑料、微藻细胞和癌细胞等多种类的高浓度微颗粒的种类与活性检测和计数，还可以实现对高浓度微颗粒的活性进行现场快速检测和计数且操作过程简单、应用范围广泛、成本低廉、鉴定指标稳定。
2、本发明提供的基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法，采用分类器的方法进行高浓度微颗粒种类检测，相较于原来的直接根据细胞长度、宽度和厚度信息去匹配微颗粒的方法，可以对同一种类不用时期不同大小的细胞进行分类，提高了最终分类结果的准确性。
3、本发明提供的基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法，基于灰度值的方法来划定待测样品区域，并且根据待测样品与其他区域灰度值差距较大的规律，可以计算并划分区域各像素点的灰度值，从而可以根据像素点的灰度值信息更精确地得到待测样品的长度与宽度信息。
4、本发明提供的基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法，其三波长无透镜全息成像装置适合现场的快速检测，具有价格低、质量轻、体积小的优点。
5、本发明提供的基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法，相比于其他的全息三维形貌技术，在恢复三维形貌时，本发明方法不需要解包裹步骤，大大简化了数据处理步骤，节省时间。
基于上述理由本发明可在高浓度微颗粒的检测与计数等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明三波长无透镜全息成像装置结构示意图。
图3为本发明三波长无透镜全息成像装置中的样品台组件结构示意图。
图中：1、光源驱动组件；2、光源组件；3、微孔组件；4、光传播组件；5、样品台组件；6、图像采集组件；7、图像处理组件，8、聚二甲基硅氧烷片；9、载玻片；10、样品槽；11、检测区域；12、废液槽。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种基于三波长无透镜全息成像的高浓度微颗粒的种类与活性检测方法，包括如下步骤：
S1、基于三波长无透镜全息成像装置，获取待测样品的全息图像；并对全息图像进行三维形貌的恢复和特征分析，得到待测样品的三维形貌；
如图2所示，三波长无透镜全息成像装置包括：依次连接的光源驱动组件1、光源2、微孔组件3、光传播组件4、样品台组件5、图像采集组件6以及图像处理组件7；光源驱动组件1控制光源2分别发出红光、绿光和蓝光，光源2透过微孔组件3将部分相干光发散成球面波，经过光传播组件4传播一段距离后到达样品台组件5，不需要单独引入参考光波，将物体的透射光作为参考光波，散射光作为物光波，参考光波和物光波相互干涉在图像采集组件6形成全息图像，图像处理组件7对全息图像进行三维形貌的恢复和特征分析，检测高浓度的微颗粒并进行计数。具体实施时，优选的，所述光源驱动组件1为51单片机，光源2为LED光源，51单片机控制LED光源的亮灭，通过按键来实现红光、绿光和蓝光的分别点亮。所述样品台组件5包括聚二甲基硅氧烷片8和载玻片9，聚二甲基硅氧烷片8上凹刻有检测区域11，检测区域11两端对称连接有样品槽10和废液槽12，图像采集组件6为COMS图像传感器，图像处理组件7为PC机。
S2、采用三波长迭代算法对所述得到的待测样品的三维形貌进行处理，得到准确的待测样品的三维形貌；
所述步骤S2中采用三波长迭代算法对所述得到的待测样品的三维形貌进行处理，包括削弱再现像中的共轭像，利用该方法得到的相位不需要进行解包裹，并且可以得到待测样品的长度与宽度信息，具体包括：
S21、红光波长设置为λ1，绿光波长设置为λ2，蓝光波长设置为λ3，将红光下记录面的复振幅在λ1下进行数值模拟传播到样品平面；
S22、将相位用原始相位乘λ1/λ2，振幅不变；
S23、将更新后的样品平面波波前在λ2处向CMOS图像传感器平面回传播；
S24、将振幅用绿光下的全息图像的振幅代替；
S25、将蓝光下记录面的复振幅在λ3下进行数值模拟传播到样品平面；
S26、将相位用原始相位乘λ3/λ2，振幅不变；
S27、将更新后的样品平面波波前在λ3处向CMOS图像传感器平面回传播；
S28、将振幅用蓝光下的全息图像的振幅代替；
S29、将蓝光下记录面的复振幅在λ2下进行数值模拟传播到样品平面；
S30、将相位用原始相位乘λ2/λ1，振幅不变；
S31、将更新后的样品平面波波前在λ1处向CMOS图像传感器平面回传播；
S32、将振幅用红光下的全息图像的振幅代替；
S33、重复步骤S21-S33直到达到收敛状态。
S3、基于所述准确的待测样品的三维形貌，采用基于灰度值的方法划定待测样品区域，计算图像中各像素点处的灰度值，根据各像素点的灰度值得到待测样品的长度与宽度信息，实现高浓度微颗粒的活性检测；
所述步骤S3中采用基于灰度值的方法划定待测样品区域，包括根据待测样品与其他区域灰度值差距，对待测样品区域进行划分。
S4、采用分类器对三波长迭代算法处理后的高浓度微颗粒图像进行识别和分类，并对分类后的高浓度微颗粒采用阈值分割的方法进行形态学处理，实现对高浓度微颗粒的计数。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
