Implementation of differential phase contrast as a quantitative phase imaging method

Šalamun, Luka (avtor), Urbančič, Iztok (mentor), Tripp, Cody (komentor)

Phase contrast microscopy is a microscopy technique used to enhance contrast of transparent biological samples, by translating phase shift variations of light, as it passes through the sample, into changes of its amplitude, which can be detected via intensity variations. It is a label-free, non-destructive method for observing biological samples, making it widely used. A modern approach to phase contrast microscopy is called Differential phase contrast (DPC) that uses at least one pair of complimentary illumination patterns to reconstruct the final phase image, however, it only qualitatively visualises the phase shift variations. Quantitative phase imaging (QPI) is a microscopy technique that, quantitatively reconstructs phase images using phase variation information, from light passing through a transparent object. In this master’s thesis I used the quantitative differential phase contrast (qDPC) method to quantitatively reconstruct phase shift using the illumination scheme proposed in DPC and the weak object approximation (WOA). I used the Tikhonov regularisation to calculate the phase, for which a regularisation term is added to the least square minimisation, where a regularisation parameter is needed. I determined the optimal parameter using the discrepancy principle, which uses the noise estimation of the images to find the optimal regularisation parameter. Comparing the reconstructed phase images with fluorescence images showed that cell features, such as lipid droplets and cell nuclei, can be visualised with both techniques. Using the qDPC method to reconstruct samples where different types of nanoparticles were mixed with cells showed that nanoparticle aggregates can also be reconstructed on the phase image, however, their calculated phase shift values cannot be taken as accurate due to them introducing a high optical gradient, meaning they violate the WOA. Around nanoparticle aggregates are also present halo artifacts that are a consequence of a big change in refractive index, and influence the quality and accuracy of phase reconstruction. The qDPC method is able to quantitatively reconstruct the phase shift of thin, transparent samples and can be used to visualise certain cell features without the use of toxic cell dyes, which are needed in fluorescence microscopy.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: Biophysics, microscopy, phase contrast, quantitative phase reconstruction.
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Tipologija: 2.09 - Magistrsko delo
• Organizacija: FMF - Fakulteta za matematiko in fiziko
• Leto izida: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-177991
• COBISS.SI-ID: 264786435
• Datum objave v RUL: 15.01.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Implementacija diferenčnega faznega kontrasta kot metoda kvantitativnega faznega slikanja

Izvleček

Fazni kontrast je mikroskopska tehnika, ki se uporablja za izboljšanje kontrasta prosojnih bioloških vzorcev, tako da variacije faznega premika svetlobe med prehodom skozi vzorec pretvori v spremembe njene amplitude, ki se jih lahko zazna kot spremembe intenzitete svetlobe. Metoda ne uporablja fluorescenčnih barvil in ni uničujoča za biološke vzorce, zaradi česar se uporablja na mnogih področjih, kot so medicina, biologija in biofizika. Moderna izvedba faznega kontrasta se imenuje diferencialni fazni kontrast (angl. DPC), ki uporablja pare komplementarnih vzorcev osvetlitve za rekonstrukcijo končne slike, vendar le kvalitativno vizualizira spremembe faznega premika. Kvantitativno fazno slikanje (angl. QPI) je mikroskopska tehnika, ki kvantitativno rekonstruira fazne slike z uporabo informacij o faznih spremembah, iz svetlobe, ki prehaja skozi prosojen predmet. V tej magistrski nalogi sem uporabil metodo kvantitativnega diferencialnega faznega kontrasta (angl. qDPC) za kvantitativno rekonstrukcijo faznega premika z uporabo sheme osvetlitve DPC in za neposredno povezavo fazne informacije z izmerjeno intenziteto sem uporabil približek šibkega objekta (angl. WOA). Uporabil sem Tikhonovo regularizacijo za izračun faze, za katero je potrebno dodati regularizacijski člen v minimizacijo najmanjših kvadratov. Optimalni parameter v regularizacijskem členu sem določil z uporabo načela neskladja (angl. discrepancy principle), ki uporablja oceno šuma na slikah slik za iskanje optimalnega regularizacijskega parametra. Primerjava rekonstruiranih faznih slik s fluorescenčnimi slikami je pokazala, da je mogoče celične komponente, kot so lipidne kapljice in celična jedra, opazovati z obema mikroskopskima tehnikama. Uporaba metode qDPC za rekonstrukcijo vzorcev, kjer so bile različne vrste nanodelcev pomešane s celicami, je pokazala, da je mogoče agregate nanodelcev rekonstruirati tudi na fazni sliki, vendar se njihovih izračunanih vrednosti faznega zamika ne more jemati kot natančne. Okoli agregatov nanodelcev so tudi prisotni halo artefakti, ki so posledica nagle spremembe lomnega količnika, in vplivajo na kvaliteto in natančnost rekonstrukcije faznega zamika. Metoda qDPC lahko kvantitativno rekonstruira fazni zamik tankih, prozornih vzorcev in se lahko uporablja za vizualizacijo določenih celičnih značilnosti brez uporabe strupenih barvil, ki so potrebna pri fluorescenčni mikroskopiji.

• Ključne besede: Biofizika, mikroskopija, fazni kontrast, kvantitativna fazna rekonstrukcija.