Компактный дифракционный фазовый микроскоп для применения совместно со смартфоном

Устройство относится к областям количественной фазовой и голографической микроскопии и может быть использовано для определения морфологии клеток крови путем цифровой обработки данных и представления результатов в виде трехмерных диаграмм и гистограмм (количества эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, величины гематокрита и эритроцитарных индексов (MCV, RDW)).
Из уровня техники известны подобные устройства, например гематологический анализатор с устройством перемешивания, функционирующий с цельной кровью (см. RU 2359242 C2, опубл. 20.06.2009). Анализатор выполнен с возможностью подводить и обрабатывать пробирки в режиме «пробирка за пробиркой». Он содержит устройство перемешивания, выполненное с возможностью приема пробирки с кровью и перемешивания содержимого этой пробирки с кровью в соответствии с выбранным способом перемешивания, средства управления, связанные с устройством перемешивания и выполненные с возможностью управления перемешиванием содержимого пробирки с кровью в контролируемых условиях в соответствии с определенными параметрами, при этом средство управления содержит средство программирования, имеющее возможность программирования продолжительности перемешивания в устройстве перемешивания, средство отбора, выполненное с возможностью автоматического отбора образца крови из пробирки с кровью, содержимое которой предварительно перемешано при помощи устройства перемешивания, и переноса образца крови в блок анализа.
Недостатками аналога является то, что он не обладает достаточной компактностью.
Наиболее близким аналогом, по мнению заявителя, является дифракционный фазовый микроскоп (US 8837045 B2, опубл. 16.09.2014), в котором свет, собранный от образца, освещенного некогерентным во времени источником, дифрагируется до первого порядка, и либо нулевой, либо первый порядок фильтруется нижними частотами в плоскости преобразования Фурье. Путем фильтрации нижних частот дифрагированного луча первого порядка на множество длин волн получают количественное фазовое изображение образца со спектральным и пространственным разрешением.
Недостатками аналога является то, что обработка информации от указанного фазового микроскопа требует дополнительного оборудования, что усложняет и замедляет процесс получения результата анализа.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение его технологичности за счет уменьшения размеров и обеспечения возможности применения со смартфоном, которое позволяет использовать устройство в нелабораторных условиях для первичного анализа крови без обучения пользователя и/или испытуемого при соблюдении техники безопасности при работе с цельной кровью.
Заявленный технический результат достигается посредством создания компактного дифракционного фазового микроскопа для применения совместно со смартфоном, содержащего последовательно размещенные источник питания, лазер, тест-полоску, дифракционную решетку, первую линзу, пространственный фильтр, при этом он снабжен средством крепления к смартфону и третьей линзой, размещенной между второй линзой и камерой и линзой смартфона, пространственный фильтр содержит окно пропускания первого порядка дифракции и фильтр низких частот.
В частном варианте выполнения средство крепления к смартфону выполнено в виде клипсы.
Заявленная полезная модель проиллюстрирована следующими фигурами:
На фиг. 1 схематически представлено устройство дифракционного фазового микроскопа.
На фиг. 2 - вид сверху на пространственный фильтр.
Позиции на фиг. 1, 2 обозначают следующее:
1 - дифракционный фазовый микроскоп;
2 - камера и линза смартфона;
3 - источник питания;
4 - лазер;
5 - тест-полоска;
6 - дифракционная решетка;
7 - первая линза;
8 - пространственный фильтр;
9 - вторая линза;
10 - третья линза;
11 - линза смартфона;
12 - камера смартфона;
13 - фильтр низких частот;
15 - окно пропускания первого порядка дифракции;
15 - фокальное расстояние первой линзы;
16 - фокальное расстояние второй линзы.
Устройство относится к областям количественной фазовой и голографической микроскопии и может быть использовано для определения морфологии клеток крови путем цифровой обработки данных и представлением результатов в виде трехмерных диаграмм и гистограмм (количества эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, величины гематокрита и эритроцитарных индексов (MCV, RDW)) с возможной последующей передачей данных в клиники и лечебные учреждения через мобильную сеть.
Устройство в корпусе устанавливается по центру камеры смартфона и ее оптической системы линз, таким образом, выставляется оптическая ось устройства и крепится к нему средством крепления, преимущественно клипсой.
Устройство работает от источника питания. Тест-полоска с цельной кровью фиксируется в паз, расположенный между лазерным источником и дифракционной решеткой. Пространственный фильтр калибруется перед каждым применением относительно максимума интенсивности нулевого дифракционного порядка.
Прозрачное окно тест-полоски освещается плоской волной от лазерного источника. При прохождении световой волны через образец возникают пространственные фазовые сдвиги волны - пространственная фазовая модуляция, величины которых определяются локальной толщиной объекта и показателями преломления объекта и окружающей среды. В результате этой модуляции образуется объектное поле, включающее рассеянную и нерассеянную компоненты. Дифракционная решетка разлагает объектное поле на дифракционные порядки. Для формирования интерференционного изображения используется пространственный фильтр (фиг. 2), который полностью пропускает 1-й порядок дифракции и нерассеянную компоненту объектного поля в нулевом порядке дифракции. В задней фокальной плоскости второго объектива происходит наложение и интерференция нерассеянной квазиплоской волны и наклонно падающего волнового поля изображения объекта. Задняя фокальная плоскость второй линзы сопряжена с передней фокальной плоскостью микрообъектива 4-f системы, которая состоит из микрообъектива и системы линз смартфона. Камера смартфона (матричный фотодетектор) регистрирует потоковые изображения интерфенционных картин.
Распределение интенсивности света в интерференционной картине в плоскости матричного фотодетектора можно представить в следующем упрощенном виде:
где координаты x, y - ориентированы вдоль рядов пикселей фотодетектора,  - распределения интенсивности объектного и опорного полей, соответственно;  - период интерференционных полос, M - увеличение изображения, даваемое оптической системой,  - период дифракционной решетки; α - угол, определяющий ориентацию решетки относительно рядов пикселей фотодетектора;  - фазовый набег, возникающий при прохождении волны через объект.
При плоской освещающей волне и достаточно плавных пространственных оптических неоднородностях объекта для  можно использовать выражение
где (- длина волны используемого света,  - пространственный рельеф поверхности объекта,  - пространственное распределение показателя преломления объекта,  - показатель преломления окружающей среды.
Образующаяся система интерференционных полос в изображении объекта, по сути, представляет собой систему несущих полос голограммной структуры. Численная обработка такой структуры, например, с использованием прямого и обратного Фурье-преобразований и пространственной фильтрации спектра голограммы позволяет восстановить пространственное распределения фазовых сдвигов объектного поля и, соответственно, пространственные вариации оптической толщины объекта. Из расчета толщины каждого отдельного форменного элемента крови потоковых изображений формируется статистика данных для дальнейшего расчета количества эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов, величины гематокрита, эритроцитарных индексов (MCV, RDW) и представления результатов в виде трехмерных диаграмм. При необходимости данные могут быть переданы в клиники средствами мобильной связи.
Ряд требований технического характера:
1. Для пространственной фильтрации волновых полей, испытавших дифракцию на дифракционной решетке, необходимо, чтобы первый дифракционный порядок попал в апертуру первой линзы системы. Это выполняется, при условии, что период решетки , где  - числовая апертура первой линзы интерференционного модуля. При этом поперечный размер  разрешаемого системой объекта, например, эритроцита в мазке крови, должен, по крайней мере, в два раза превышать период решетки,. В этом случае дифракционные порядки объектного поля в задней фокальной плоскости объектива не будут перекрываться, и возможна эффективная пространственная фильтрация объектного светового поля. В интерференционном изображении объекта, образующемся в задней фокальной плоскости второй линзы модуля будет формироваться примерно 3 интерференционных полосы.
2. Для работы устройства необходимо, чтобы матрица камеры смартфона разрешала несущие интерференционные полосы изображения, средний период  которых равен , где  - поперечное увеличение системы, определяемое отношением фокусных расстояний линз, . Это требование эквивалентно выполнению условия Найквиста, которое для записи цифровой голограммы можно представить в виде: , где  - период расположения пикселей матричного фотодетектора. С учетом фазовых вариаций поля изображения объекта, вызывающих вариации периода полос, это неравенство следует записать в виде .
1. Объединение требований в пунктах 1 и 2 приводит к обобщенному условию оптической пространственной фильтрации дифрагированных полей и записи цифровой голограммы в следующем виде: , при .
2. Для защиты поверхности дифракционной решетки, последняя устанавливается в устройство стеклянной стороной к тест-полоскам и устанавливается покровное стекло после дифракционной решетки (мкм). Это повышает износостойкость дифракционного модуля при замене тест-полосок. Однако и покровное стекло и дифракционная решетка вносят сферические аберрации, что снижает разрешающую способность данной оптической системы.