细胞与组织的定量相位成像 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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波佩斯库Gabriel，Popescu 著

图书标签:

• 定量相位成像
• 细胞成像
• 组织成像
• 生物医学工程
• 光学显微镜
• 生物物理学
• 医学影像
• 生物技术
• 显微成像
• 相位对比

出版社： 华中科技大学出版社

ISBN：9787568029148

版次：1

商品编码：12266151

包装：精装

丛书名： 世界光电经典译丛

开本：16开

出版时间：2018-01-01

用纸：胶版纸

页数：381

字数：415000

正文语种：中文

编辑推荐

适读人群 ：相关研究领域研究生及科研人员。
本书是对于一门相对新颖并在迅速发展着的学科的权wei阐述，生物学家、化学家、物理学家、内科医生以及工程师们可能对这本书会有特别的兴趣。本书中讨论的技术在近年来已经得到了发展。并且这些技术能提供许多信息，例如，从纳米级上同时反映样本的厚度以及折射率的动态波动。本文由此领域中的权wei专家撰写，是此学科第yi本综合性的阐述或者也是初的几本之一。本书的论述清晰、插图优美，阅读并学习它将会是一种享受。

内容简介

本书提供了QPI的全面综述，涵盖了从相位显微镜的理论基础、到不同技术创新以实现在小外部及空间噪声影响下以视频速率精确地提取定量相位信息，到诸如监测细胞生长、研究细胞动力学以及癌症组织诊断等不同生物医学的前沿应用。这本书利用相位显微镜为主线，有效地将光学显微镜成像机制、全息成像、相干成像、生物物理学与组织光学等联系起来。不论是对刚刚入门的光学或电子工程，生物医学工程以及生物物理等专业的学生，还是想紧跟前沿研究或扩宽研究领域的高级读者而言，这本书都将是研究定量相位成像的有益参考。

作者简介

Gabriel Popescu，伊利诺伊厄巴纳-香槟分校电子与计算机工程系副教授，SPIE会士，OSA会士，Optics Express and Biomedical Optics Express杂志副主编。2009年获美国国家自然科学基金会杰出青年教授奖，2012年入选伊利诺伊厄巴纳-香槟分校先进科研中心专家。近十年的研究兴趣为细胞及组织的定量相位成像，是该领域的开拓者之一。出版著作两本，发表了100余篇文章，120余场会议报告，100余次特邀报告。

精彩书评

领域权wei专家撰写，关于QPI的全面综述

目录

目录



第1章绪论/1

1.1光学显微成像术/1

1.2定量相位成像/2

1.3QPI和多模式研究/3

1.4纳米尺度和三维成像/5

第2章基本原理/10

2.1自由空间中的光传播/10

2.2波传播的菲涅尔近似/15

2.3自由空间的傅里叶变换性质/16

2.4透镜组的傅里叶变换性质/18

2.5非均匀介质中光散射的（一阶）玻恩近似/23

2.6单粒子的散射/28

2.7玻恩近似下的粒子/29

2.8玻恩近似下粒子群的散射/33

2.9米氏散射/35


第3章时间与空间场的相关性/37

3.1时空相关函数：相干体积/37

3.2单色光源的空间相关性/40

3.3平面波的时间相关性/46




细胞与组织的定量相位成像




目录




第4章图像特征/51

4.1作为线性运算的成像/51

4.2分辨率/52

4.3信噪比/53

4.4对比度和对比度噪声比/55



第5章光学显微镜/61

5.1阿贝成像理论/61

5.2相位型物体成像/67

5.3泽尔尼克相衬显微成像术/69


第6章全息术/75

6.1Gabor（同轴）全息术/75

6.2Leith和Upatnieks（离轴）全息术/77

6.3非线性（实时）全息术或相位共轭/80

6.4数字全息术/81


第7章点扫描QPI/87

7.1弱相干干涉测量法/87

7.2色散效应/91

7.3时域光学相干层析成像/94

7.4傅里叶域及扫频OCT/98

7.5定性的相敏方法/101

7.6定 量 方 法/105

7.7进一步发展/110

第8章全场定量相位成像的原理/121

8.1干涉成像/121

8.2时域相位调制：相移干涉测量/122

8.3空间相位调制：离轴干涉测量/124

8.4相位解缠/125

8.5QPI的性能指标/127

8.6QPI方法和性能指标的总结/135


第9章离轴法/139

9.1数字全息显微成像术/139

9.2希尔伯特相位显微成像术/148


第10章相移方法/171

10.1自动相移数字记录干涉显微镜(DRIMAPS)/171

10.2光正交显微成像术/176


第11章共光路方法/189

11.1傅里叶相位显微成像术/189

11.2衍射相位显微成像术/201


第12章白光法/230

12.1基于强度传输方程的QPI方法/230

12.2空间光干涉显微成像术/235


第13章傅里叶变换光散射/255

13.1原理/255

13.2进一步的发展/261

13.3生物应用/263



第14章方法的目前趋势/283

14.1QPI层析成像/283

14.2光谱QPI/289


第15章当前应用趋势/300

15.1细胞动力学/300

15.2细胞生长/311

15.3组织光学/314

15.4临床应用/320


附录A复解析信号/341


附录B二维与三维傅里叶变换/345

附录CQPI作品/356

前言/序言

序
本书旨在为应用于生物医药的新兴的领域“定量相位成像（Quantitative phase imaging, QPI）”提供深入的见解。也是一份对于处在不同职业生涯阶段的研究者们的邀请，希望他们去探索这个新兴而激动人心的领域。我花了很多精力去提供足够的介绍材料来让这本书尽可能地完整。因此，这本书的结构使得概念的发展由浅入深，具体如下。
OPI背后的动机以及基本概念在“导论”中得到呈现，并且特别注意明确了例如“纳米级”和“三维”等容易混淆的概念。第2章（基本原理）回顾了光在真空和非均匀介质中的传播（散射），并强调了傅里叶光学。光场的相关特性在第3章中讨论。第4章回顾了图像的基本性质（例如，分辨率，对比度，对比噪声比等）。光学显微镜的概念，从Abbe的图像描述到Zernike的相衬理论在第5章中讨论，而第6章则回顾了全息摄影的主要发展历程。其余的章节，也就是7-15章则专门用于描述QPI的各个方面。
除了致力于描述点扫描QPI并且包含了全面的低相干干涉法的第7章，所有的章节都讨论的都是全场QPI法。第8章阐述了QPI背后的主要思想并且规定了QPI中的主要性能系数：采集率，横向分辨率，时间相位稳定性以及空间相位均匀性。接下来的四个章节，9-12章，描述的是四种在一般情况下擅长某种性能系数的QPI手段: 轴外（高采集率），移相（高横向分辨率），共光路（高时间稳定性）以及白光（高空间均匀性）。
第13章阐述的是光散射的傅里叶变换，从本质上建立QPI和光散射测量的等价性。后的两章，14和15章，则用于讨论近来在方法上和应用上的进展，而这些进展在目前看来非常有前景。在本书的后还有三个附录：复解析信号（A），傅里叶变换（B）以及有趣的QPI图像（C）。
我一直坚信QPI将会继续以加快的步伐发展，并且在未来几年成为生物医学光子学中占主导地位的领域。希望这本书能够通过给这个新领域提供一个逻辑框架以及对于现有研究的浓缩总结来为这个学科的发展做出贡献。



Gabriel Popescu
厄巴纳，伊利诺伊州

细胞与组织的定量相位成像 探寻生命的微观奥秘，揭示组织结构与功能的精细图景 在生命科学的宏伟画卷中，细胞是构成一切生命体的基本单元，而组织则是细胞协同工作的复杂集合体。理解细胞的结构、动态行为以及组织的功能，是解锁生命奥秘、攻克疾病的关键。然而，传统的显微成像技术，尤其是依赖染色或荧光标记的方法，往往会引入人为的干扰，破坏细胞的天然状态，或者仅能呈现有限的光学信息。面对这一挑战，一种革新性的成像技术——定量相位成像（Quantitative Phase Imaging, QPI）应运而生，它以其独特的光学原理，为我们开启了一扇窥探生命微观世界前所未有的清晰、真实之窗。 本书《细胞与组织的定量相位成像》并非一本仅仅罗列技术的教科书，更是一部引领读者深入探索生命科学前沿的指南。它旨在阐述定量相位成像在细胞与组织研究中的核心价值、前沿应用以及未来的发展潜力，重点在于如何运用这一强大工具，以前所未有的精度和维度，揭示生命体的微观结构、生理活动以及病理变化。本书将聚焦于如何利用定量相位成像提供的丰富信息，来定量地分析细胞和组织的生物物理特性，从而深入理解生命活动的内在机制。 超越可见的界限：定量相位成像的独特优势 定量相位成像的核心在于其能够捕捉并量化光波穿过透明或半透明生物样本时所经历的相位变化。与传统的强度成像不同，相位信息蕴含了样本的折射率分布，而折射率与样本的物质组成、密度以及结构息息相关。这意味着，即使是未染色的、生理状态下的活细胞和组织，也能被定量相位成像捕捉到其精细的三维结构和密度分布信息。 本书将详细介绍定量相位成像的几种主流技术，例如： 空间光调制器（SLM）辅助的相位恢复技术：通过利用SLM调控透射光波前，实现对复杂相位信号的高精度重建，是目前最常用的定量相位成像方法之一。 衍射光学元件（DOE）辅助的相位提取：利用预设计的衍射光学元件，将相位信息编码到强度信息中，简化了硬件设计，提高了成像速度。 计算成像（Computational Imaging）与机器学习（Machine Learning）的结合：这是定量相位成像发展的新方向，通过先进的算法和模型，能够从原始的相位数据中提取更深层次的信息，甚至实现超分辨率成像和功能信息反演。 本书将不仅仅停留在技术原理的介绍，更重要的是，它会深入探讨这些技术如何应用于实际的生物研究场景。我们将重点阐释定量相位成像如何克服传统显微技术的局限性，例如： 避免染色对细胞活性的影响：大多数细胞染色会改变细胞的代谢活动，甚至导致细胞死亡。定量相位成像无需染色，能够实时、无损地观察活细胞的动态过程，例如细胞分裂、迁移、凋亡等，为研究细胞的真实生理行为提供了可能。 提供丰富的细胞和组织三维结构信息：通过扫描不同焦平面的相位信息，定量相位成像可以重建出细胞和组织的精细三维结构，包括细胞核、细胞质、细胞器以及组织内的细胞间质等，为理解其空间排布和功能提供重要线索。 定量测量细胞和组织的生物物理特性：折射率是细胞和组织的重要生物物理参数。定量相位成像能够精确测量样本的平均折射率、折射率梯度以及生物质量密度等。这些参数与细胞的健康状况、代谢水平、蛋白含量等直接相关，为疾病诊断和药物筛选提供了新的视角。 定量相位成像在细胞与组织研究中的前沿应用 本书的核心价值在于，它将集中展示定量相位成像在各个生命科学领域的前沿应用，这些应用将极大地拓展我们对生命过程的理解。 1. 活细胞动态行为研究： 细胞形态学与动力学分析：定量相位成像能够高精度地追踪细胞的形态变化，例如细胞的伸长、收缩、变形等，并量化这些形变的速度和幅度。这对于研究细胞迁移、侵袭、吞噬以及在发育和疾病中的作用至关重要。 细胞周期与分裂过程监测：细胞周期中的各个阶段，细胞的体积、密度以及内部结构都会发生显著变化。定量相位成像能够无损地监测这些变化，精确地识别细胞处于哪个周期阶段，并量化细胞分裂过程中的关键参数，为理解细胞增殖调控机制提供依据。 细胞器功能与动力学研究：虽然定量相位成像无法直接分辨单个生物分子，但它可以通过测量细胞内物质的分布和流动来推断细胞器的功能状态。例如，通过监测细胞质中折射率的区域性变化，可以间接研究线粒体、内质网等细胞器的功能活动。 细胞信号转导过程的实时观测：许多细胞信号转导过程会引起细胞体积、质膜通透性以及细胞质成分的改变，这些改变都可以通过定量相位成像进行监测，从而实现对信号转导通路激活和抑制过程的实时观测。 2. 组织工程与再生医学： 生物支架的微观结构表征：在组织工程中，生物支架的微观结构直接影响细胞的粘附、增殖和分化。定量相位成像能够无损地表征生物支架的三维孔隙结构、密度分布以及与细胞的相互作用，为优化支架设计提供指导。 细胞在支架中的生长与分布监测：定量相位成像能够追踪细胞在生物支架内的生长、迁移和空间分布，并量化其生长密度和形态。这对于评估组织工程构建体的成熟度和功能至关重要。 组织发育过程的实时观测：在体外培养组织的过程中，细胞会发生复杂的组织化过程。定量相位成像能够实时观测组织的形成、血管网络的构建以及细胞间的相互作用，为理解组织发育机制提供窗口。 3. 疾病诊断与药物筛选： 病变细胞的早期检测：许多疾病，如癌症、糖尿病等，在早期阶段就会引起细胞的形态、密度和生物物理特性的改变。定量相位成像能够高灵敏度地检测这些微小的变化，为疾病的早期诊断提供可能。 细胞对药物反应的实时评估：药物在细胞水平的作用机制多种多样，很多都伴随着细胞形态、大小、密度以及内部结构的改变。定量相位成像能够实时、定量地监测细胞对药物的反应，从而加速药物筛选和疗效评估。 肿瘤细胞的侵袭性评估：肿瘤细胞的侵袭性与其细胞骨架、细胞膜流动性等生物物理特性密切相关。定量相位成像能够提供这些关键信息，帮助评估肿瘤的恶性程度和转移潜力。 微生物检测与鉴定：定量相位成像还可以用于微生物的检测与鉴定，例如在食品安全、环境保护以及临床诊断中，能够快速、无损地识别不同种类的细菌、真菌等。 4. 神经科学与发育生物学： 神经元形态与连接分析：神经元形态的改变与神经系统的功能密切相关。定量相位成像能够精确地勾勒出神经元的胞体、轴突和树突，并追踪其生长和分支，为理解神经回路的形成和功能提供线索。 早期胚胎发育过程的观察：胚胎发育是一个高度动态和复杂的过程，细胞的增殖、分化和迁移都发生在微观层面。定量相位成像能够无损地观察早期胚胎的发育过程，揭示关键的发育调控机制。 展望未来：定量相位成像的无限可能 本书不仅回顾了定量相位成像的成就，更着眼于其未来的发展方向。随着技术的不断进步，定量相位成像将变得更加智能化、多功能化。 与多模态成像技术的融合：将定量相位成像与其他成像技术，如荧光显微镜、扫描电子显微镜等相结合，可以实现对同一样本多维度信息的互补，从而获得更全面、更深入的认识。 人工智能辅助的数据分析：利用深度学习等人工智能技术，可以从海量的定量相位成像数据中自动提取特征，实现更快速、更精准的分析，甚至预测细胞行为和疾病发展。 微流控芯片集成：将定量相位成像技术与微流控芯片相结合，可以实现对大量细胞样本的自动化、高通量成像和分析，为药物筛选、毒理学研究等提供更高效的平台。 面向临床应用的转化：随着技术的成熟和成本的降低，定量相位成像有望在临床诊断、疾病监测等领域发挥越来越重要的作用，例如用于病理切片分析、活体组织成像等。 本书的读者群体 本书适合以下读者： 生命科学家和研究人员：对细胞生物学、组织学、发育生物学、药理学、病理学等领域的研究人员，渴望了解和应用先进的成像技术来解决科学问题。 生物医学工程师和仪器开发者：对显微成像技术、光学工程、计算成像等领域感兴趣的工程师，希望了解定量相位成像的技术原理和应用前景，以便开发更先进的成像设备。 在校学生：对生命科学、生物医学工程等专业的高年级本科生和研究生，希望了解定量相位成像这一前沿技术，拓宽学术视野。 对生命科学前沿技术感兴趣的读者：任何对生命奥秘充满好奇，并希望了解现代科学如何以前所未有的方式探索这些奥秘的普通读者。 《细胞与组织的定量相位成像》将带领您踏上一段引人入胜的探索之旅。它不仅是一次技术知识的传授，更是一次思维方式的启发。通过本书，您将深刻理解定量相位成像如何作为一把强大的钥匙，开启我们认识生命本质的新篇章，以前所未有的清晰度和维度，洞悉细胞与组织的微观世界，从而为生命科学的研究和应用带来革命性的突破。

评分☆☆☆☆☆

我之所以对《细胞与组织的定量相位成像》这本书感到如此好奇，很大程度上是因为它触及了我一直以来对“量化”在生物学研究中重要性的认知。在许多生命科学领域，我们常常只能依靠定性的描述来理解复杂的生物过程，而“定量”则意味着更精准、更客观的认识。这本书的名字，直截 মতামত地指出了“定量”这一核心要素，让我联想到书中可能不仅仅是展示细胞和组织的图像，而是能够提供关于它们的密度、折射率、厚度等一系列物理参数的测量数据。这对于理解细胞的动态行为、组织结构的异质性，甚至细胞内的物质分布，都将具有极其重要的意义。我设想着，这本书或许会详细介绍不同类型的定量相位成像技术，比如干涉显微镜、傅里叶变换相位显微镜等，并且深入分析它们各自的优缺点以及适用范围。更重要的是，我希望这本书能够提供一些实际的应用案例，比如如何利用定量相位成像来监测细胞的生长和分裂，如何量化肿瘤组织的异质性，或者如何分析药物在细胞内的渗透和分布。这样的内容，将极大地提升这本书的实用性和价值，让我能够更好地理解这项技术是如何在实际科研工作中发挥作用的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名称，恰恰点亮了我内心深处对科学探索的某种渴望。《细胞与组织的定量相位成像》——这不仅仅是一个技术名词的堆砌，更是指向了一种全新的观察和理解生命世界的方式。我一直对那些能够“量化”生命过程的技术抱有浓厚的兴趣，因为我深信，只有当我们可以精确地测量和描述事物的属性时，我们才能更深入地理解它们。我猜测，这本书会带我走进一个超越了简单“看见”的微观世界，进入一个可以“测量”和“分析”的世界。我希望书中会详细讲解，如何利用光学的原理，将细胞和组织的微小结构信息，转化为可以直接量化的数据，从而揭示出那些隐藏在表象之下的真实物理特性。或许，它会介绍如何通过测量细胞的密度变化来判断细胞的健康状况，如何通过分析组织的折射率分布来识别早期病变，甚至如何追踪细胞内物质的动态迁移过程。这种对微观世界的“精确测量”能力，无疑将为生命科学的研究带来革命性的突破。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就很硬核，完全戳中了我的好奇心。《细胞与组织的定量相位成像》——光是这个标题，就已经勾起了我很多关于生物学、光学以及最前沿技术融合的想象。我一直对那些能够“看到”微观世界，甚至“测量”它们特性的技术充满兴趣，而“定量相位成像”这个词汇，暗示着一种超越传统显微镜的深度和精度。我猜这本书一定不会简单地停留在理论层面，而是会深入讲解这项技术的原理、它如何克服光学衍射的极限，以及如何在生物样品上实现纳米级别的分辨率。我想象着书中会详细解析光的干涉、衍射等光学现象，是如何被巧妙地转化为可测量的数据，进而勾勒出细胞和组织三维结构的。会不会涉及到复杂的数学模型和算法？我对此既期待又有些忐忑，希望它能用一种相对易于理解的方式来阐述，即使我不是光学领域的专家，也能窥探到其中的精妙之处。这本书或许会为我打开一扇全新的研究视角，让我明白我们是如何“看见”生命物质的，以及这些“看见”背后所蕴含的强大科学力量。我迫不及待地想知道，这项技术究竟能够揭示哪些我们之前从未发现的生命奥秘，它在疾病诊断、药物研发、生命科学基础研究等领域，又将扮演怎样的角色。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《细胞与组织的定量相位成像》本身就透露出一种前沿的科学气息，让我对书中可能包含的内容充满了期待。我一直认为，现代科学研究越来越依赖于精密仪器的发展，而“成像”技术更是生命科学研究的基石。提到“定量相位成像”，我立刻联想到这是一种能够突破传统显微镜分辨率限制，并且能够获取关于样品深度和密度信息的技术。我想象着这本书会详细介绍这种成像技术的物理原理，包括光的干涉和衍射如何被用来 reconstruction（重构）样品的相位信息，以及如何将这些相位信息转化为可量化的数据。我特别好奇的是，书中是否会涉及如何处理数字信号、如何进行图像处理和分析，以及如何将这些信息可视化，从而揭示出细胞和组织中肉眼无法看到的精细结构和动态变化。而且，考虑到“定量”这个词，我猜想书中还会介绍如何利用这些定量数据来理解细胞的功能，比如通过测量细胞的体积变化来研究细胞的生理状态，或者通过分析组织中不同区域的折射率差异来识别病变。

评分☆☆☆☆☆

从《细胞与组织的定量相位成像》这个书名来看，我预感这本书将是一部关于利用光来深入探索生命奥秘的权威之作。我一直对生物成像技术的发展非常关注，尤其是那些能够提供超越传统显微镜丰富信息的技术。提到“相位成像”，我立刻想到这是一种可以“看见”透明样品细节，并且能够获取样品折射率等物理信息的技术，而“定量”则意味着它能够提供精确的测量数据，而不是仅仅停留在定性的观察层面。我脑海中浮现出书中可能详细介绍的各种定量相位成像的原理，包括全息显微镜、数字全息显微镜等，以及它们在生物学研究中的具体应用。我希望书中能够详细阐述这些技术是如何实现对细胞和组织微观结构的精确测量，例如，如何精确地测量细胞核的大小、形状，如何分析细胞膜的厚度变化，或者如何量化组织内水分的分布。这样的技术，无疑会极大地推动我们对细胞和组织生理病理过程的理解，为开发新的诊断和治疗方法提供强有力的工具。