Título:
Advances in TIE-based quantitative phase microscopy : instrumentation to numerical optimization for label-free biological analysis
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Coordinador:
Director:
Compilador:
Autor:
Silva Miraballes, Alejandro
Tutor:
Alonso, Julia
Tipo de documento:
Tesis de doctorado
Editor:
Palabras clave:
Quantitative Phase Imaging
Transport of Intensity Equation
Phase Retrieval
GPU Optimization
Microscopy
Imágenes de Fase Cuantitativa
Ecuación de Transporte de Intensidad
Recuperación de Fase
Optimización en GPU
Microscopía
Transport of Intensity Equation
Phase Retrieval
GPU Optimization
Microscopy
Imágenes de Fase Cuantitativa
Ecuación de Transporte de Intensidad
Recuperación de Fase
Optimización en GPU
Microscopía
Descriptores:
Año de publicación:
2026
Contenido:
Resumen:
Light carries far more information than any detector can directly measure. When a wavefield interacts with a medium, it accumulates modifications
across multiple physical properties, including amplitude, phase, polarization,
and spectral content, each encoding different characteristics of the traversed
material. However, optical sensors are square-law detectors that record only
the time-averaged intensity of the incident field, permanently discarding all
other components in the process. This fundamental constraint of optical detection means that a rich layer of physical information, encoded in the properties
of light, remains inaccessible to conventional imaging systems.
The consequences of this limitation are particularly significant in the biological domain. Most biological specimens, including living cells, are largely
transparent at visible wavelengths and introduce negligible absorption of light.
As a result, they generate almost no contrast in standard intensity-based microscopy, and visualization typically requires fluorescent labels or chemical
stains that introduce phototoxicity, alter cellular behavior, and preclude longterm monitoring. Yet the phase of light traversing a biological sample, determined by the local optical path length and therefore by the refractive index and
thickness of the specimen, carries direct and quantitative information about
cellular morphology, dry mass density, and compositional distribution. These
optical parameters constitute critical, non-invasive metrics for analyzing cellular state, morphology, and mechanical changes under physiological stress.
Quantitative Phase Imaging (QPI) overcomes this fundamental limitation
by recovering the optical phase shift accumulated by a wavefield as it traverses
a sample, providing a label-free, non-invasive window into cellular structure
and dynamics. Among the available phase retrieval frameworks, the Transport
of Intensity Equation (TIE) stands out for its compatibility with incoherent
illumination, its freedom from interferometric hardware, and its direct connection between measurable intensity derivatives and the unknown phase field.
Despite these advantages, TIE-based methods face persistent challenges in
computational efficiency, spectral fidelity, and practical deployment for longterm biological assays, motivating the advances presented in this thesis. To address these limitations, this work presents advances in TIE-based
quantitative phase microscopy across three interconnected dimensions: biological application, computational methodology, and spectral optimization. All
contributions were developed on a common experimental platform consisting of
a custom-built, low-cost, 3D-printed microscope equipped with an electrically
tunable lens (ETL) that enables motion-free, multi-plane intensity acquisition.
The first contribution demonstrates TIE-based QPI as a viable framework
for demanding long-term biological assays. A 36-hour time-lapse study of
CAL-27 human oral epithelial carcinoma cells under coverslip-induced hypoxia
quantified the morphological and biophysical transformations driven by oxygen
deprivation. A novel Local Phase Variance (LPV)-based cell segmentation
pipeline was introduced, enabling the reliable extraction of biophysical metrics
such as disorder strength from a compact, label-free, and automated platform.
The second contribution addresses the computational bottleneck of iterative TIE-based phase retrieval through the Matrix Solution to TIE (MS-TIE),
a GPU-optimized solver that reformulates the iterative update equations entirely in the Fourier domain via a three-dimensional tensor representation. The
MS-TIE achieves a tenfold improvement in reconstruction accuracy over the
state-of-the-art US-TIE and reduces execution time by one to two orders of
magnitude, without sacrificing convergence guarantees or robustness to nonuniform illumination.
The third contribution resolves a spectral limitation inherent to standard
Tikhonov regularization, namely the rigid coupling between filter bandwidth
and cutoff frequency, through the Expanded Matrix Solution to TIE (EMSTIE). A tunable bandwidth parameter decouples the roll-off slope from the
cutoff frequency via complex-conjugate factors in the transfer function. Validated on simulated 3D microphantoms and collagen cell preparations, the
EMS-TIE halves reconstruction RMSE and improves PSNR by up to 10 dB
over the MS-TIE, with no additional computational cost.
Taken together, this work establishes a coherent and progressively refined
framework for TIE-based quantitative phase microscopy, integrating compact
and low-cost instrumentation, motion-free acquisition, label-free illumination,
GPU-accelerated processing, and spectral optimization. Beyond the central
publications, the research encompasses complementary contributions in biological characterization, instrument development, and alternative computational methods, documented across conference presentations and related publications. The body of work as a whole represents a meaningful advance in the accessibility and performance of quantitative phase microscopy for biological and biomedical research.
La luz transporta mucha más información de la que cualquier detector normal puede medir directamente. Cuando un campo de ondas interactúa con un medio, acumula modificaciones en múltiples propiedades físicas, entre ellas la amplitud, la fase, la polarización y el contenido espectral, cada una de las cuales codifica diferentes características del material atravesado. Sin embargo, los sensores ópticos son detectores de ley cuadrática que registran únicamente la intensidad promediada en el tiempo del campo incidente, descartando permanentemente todos los demás componentes en el proceso. Esta restricción fundamental de la detección óptica implica que una rica capa de información física, codificada en las propiedades de la luz, permanece inaccesible para los sistemas de imagen convencionales. Las consecuencias de esta limitación son particularmente significativas en el dominio biológico. La mayoría de las muestras biológicas, incluidas las células vivas, son en gran medida transparentes a longitudes de onda visibles e introducen una absorción de luz despreciable. Como resultado, generan casi ningún contraste en la microscopía estándar basada en intensidad, y la visualización típicamente requiere marcadores fluorescentes o tinciones químicas que introducen fototoxicidad, alteran el comportamiento celular e impiden el monitoreo a largo plazo. Sin embargo, la fase de la luz que atraviesa una muestra biológica, determinada por la longitud de camino óptico local y, por tanto, por el índice de refracción y el espesor del espécimen, contiene información directa y cuantitativa sobre la morfología celular, la densidad de masa seca y la distribución composicional. Estos parámetros ópticos constituyen métricas críticas y no invasivas para analizar el estado celular, la morfología y los cambios mecánicos bajo estrés fisiológico. La técnica de Quantitative Phase Imaging (QPI) supera esta limitación fundamental recuperando el desplazamiento de fase óptica acumulado por un campo de ondas al atravesar una muestra, proporcionando una ventana libre de marcadores y no invasiva hacia la estructura y la dinámica celular. Entre los marcos disponibles para la recuperación de fase, la Ecuación de Transporte de Intensidad (TIE) se destaca por su compatibilidad con iluminación incoherente, su independencia del hardware interferométrico y su conexión directa entre las derivadas de intensidad medibles y el campo de fase desconocido. A pesar de estas ventajas, los métodos basados en TIE enfrentan desafíos persistentes en eficiencia computacional, fidelidad espectral y despliegue práctico para ensayos biológicos de larga duración, lo que va a motivar los avances. Esta tesis presenta avances en microscopía de fase cuantitativa basada en TIE a lo largo de tres dimensiones interconectadas: aplicación biológica, metodología computacional y optimización espectral. Todas las contribuciones fueron desarrolladas sobre una plataforma experimental común consistente en un microscopio personalizado, de bajo costo e impreso en 3D, equipado con una lente sintonizable eléctricamente (ETL) que permite la adquisición multifocal de imágenes de intensidad sin movimientos mecánicos. La primera contribución demuestra que la QPI basada en TIE constituye un marco viable para ensayos biológicos de larga duración en condiciones exigentes. Un estudio de lapso de tiempo de 36 horas de células CAL-27 de carcinoma epitelial oral humano bajo hipoxia inducida por cubreobjetos cuantificó las transformaciones morfológicas y biofísicas impulsadas por la privación de oxígeno. Se introdujo un novedoso pipeline de segmentación celular basado en Varianza de Fase Local (LPV), que permite la extracción confiable de métricas biofísicas como la intensidad de desorden a partir de una plataforma compacta, libre de marcadores y automatizada. La segunda contribución aborda el cuello de botella computacional de la recuperación de fase iterativa basada en TIE mediante la Solución Matricial para la TIE (MS-TIE), un solver optimizado para GPU que reformula las ecuaciones de actualización iterativa ́ıntegramente en el dominio de Fourier mediante una representación tensorial tridimensional. La MS-TIE logra una mejora de diez veces en la precisión de reconstrucción respecto al estado del arte (US-TIE) y reduce el tiempo de ejecución entre uno y dos órdenes de magnitud, sin sacrificar las garantías de convergencia ni la robustez ante iluminación no uniforme. La tercera contribución resuelve una limitación espectral inherente a la regularización de Tikhonov estándar, concretamente el acoplamiento rígido entre el ancho de banda del filtro y la frecuencia de corte, mediante la Solución Matricial Expandida para la TIE (EMS-TIE). Un parámetro de ancho de banda sintonizable desacopla la pendiente de caída de la frecuencia de corte mediante factores de conjugado complejo en la función de transferencia. Validada sobre microfantasmas 3D simulados y preparaciones de células de colágeno, la EMS-TIE reduce a la mitad el RMSE de reconstrucción y mejora el PSNR en hasta 10 dB respecto a la MS-TIE, sin costo computacional adicional. En conjunto, este trabajo establece un marco coherente y progresivamente refinado para la microscopía de fase cuantitativa basada en TIE, integrando instrumentación compacta y de bajo costo, adquisición sin movimiento mecánico, iluminación libre de marcadores, procesamiento acelerado por GPU y optimización espectral. Más allá de las publicaciones centrales, la investigación comprende contribuciones complementarias en caracterización biológica, desarrollo de instrumentación y métodos computacionales alternativos, documentadas en presentaciones en congresos y publicaciones relacionadas. El conjunto de la obra representa un avance significativo en la accesibilidad y el rendimiento de la microscopía de fase cuantitativa para la investigación biológica y biomédica.
La luz transporta mucha más información de la que cualquier detector normal puede medir directamente. Cuando un campo de ondas interactúa con un medio, acumula modificaciones en múltiples propiedades físicas, entre ellas la amplitud, la fase, la polarización y el contenido espectral, cada una de las cuales codifica diferentes características del material atravesado. Sin embargo, los sensores ópticos son detectores de ley cuadrática que registran únicamente la intensidad promediada en el tiempo del campo incidente, descartando permanentemente todos los demás componentes en el proceso. Esta restricción fundamental de la detección óptica implica que una rica capa de información física, codificada en las propiedades de la luz, permanece inaccesible para los sistemas de imagen convencionales. Las consecuencias de esta limitación son particularmente significativas en el dominio biológico. La mayoría de las muestras biológicas, incluidas las células vivas, son en gran medida transparentes a longitudes de onda visibles e introducen una absorción de luz despreciable. Como resultado, generan casi ningún contraste en la microscopía estándar basada en intensidad, y la visualización típicamente requiere marcadores fluorescentes o tinciones químicas que introducen fototoxicidad, alteran el comportamiento celular e impiden el monitoreo a largo plazo. Sin embargo, la fase de la luz que atraviesa una muestra biológica, determinada por la longitud de camino óptico local y, por tanto, por el índice de refracción y el espesor del espécimen, contiene información directa y cuantitativa sobre la morfología celular, la densidad de masa seca y la distribución composicional. Estos parámetros ópticos constituyen métricas críticas y no invasivas para analizar el estado celular, la morfología y los cambios mecánicos bajo estrés fisiológico. La técnica de Quantitative Phase Imaging (QPI) supera esta limitación fundamental recuperando el desplazamiento de fase óptica acumulado por un campo de ondas al atravesar una muestra, proporcionando una ventana libre de marcadores y no invasiva hacia la estructura y la dinámica celular. Entre los marcos disponibles para la recuperación de fase, la Ecuación de Transporte de Intensidad (TIE) se destaca por su compatibilidad con iluminación incoherente, su independencia del hardware interferométrico y su conexión directa entre las derivadas de intensidad medibles y el campo de fase desconocido. A pesar de estas ventajas, los métodos basados en TIE enfrentan desafíos persistentes en eficiencia computacional, fidelidad espectral y despliegue práctico para ensayos biológicos de larga duración, lo que va a motivar los avances. Esta tesis presenta avances en microscopía de fase cuantitativa basada en TIE a lo largo de tres dimensiones interconectadas: aplicación biológica, metodología computacional y optimización espectral. Todas las contribuciones fueron desarrolladas sobre una plataforma experimental común consistente en un microscopio personalizado, de bajo costo e impreso en 3D, equipado con una lente sintonizable eléctricamente (ETL) que permite la adquisición multifocal de imágenes de intensidad sin movimientos mecánicos. La primera contribución demuestra que la QPI basada en TIE constituye un marco viable para ensayos biológicos de larga duración en condiciones exigentes. Un estudio de lapso de tiempo de 36 horas de células CAL-27 de carcinoma epitelial oral humano bajo hipoxia inducida por cubreobjetos cuantificó las transformaciones morfológicas y biofísicas impulsadas por la privación de oxígeno. Se introdujo un novedoso pipeline de segmentación celular basado en Varianza de Fase Local (LPV), que permite la extracción confiable de métricas biofísicas como la intensidad de desorden a partir de una plataforma compacta, libre de marcadores y automatizada. La segunda contribución aborda el cuello de botella computacional de la recuperación de fase iterativa basada en TIE mediante la Solución Matricial para la TIE (MS-TIE), un solver optimizado para GPU que reformula las ecuaciones de actualización iterativa ́ıntegramente en el dominio de Fourier mediante una representación tensorial tridimensional. La MS-TIE logra una mejora de diez veces en la precisión de reconstrucción respecto al estado del arte (US-TIE) y reduce el tiempo de ejecución entre uno y dos órdenes de magnitud, sin sacrificar las garantías de convergencia ni la robustez ante iluminación no uniforme. La tercera contribución resuelve una limitación espectral inherente a la regularización de Tikhonov estándar, concretamente el acoplamiento rígido entre el ancho de banda del filtro y la frecuencia de corte, mediante la Solución Matricial Expandida para la TIE (EMS-TIE). Un parámetro de ancho de banda sintonizable desacopla la pendiente de caída de la frecuencia de corte mediante factores de conjugado complejo en la función de transferencia. Validada sobre microfantasmas 3D simulados y preparaciones de células de colágeno, la EMS-TIE reduce a la mitad el RMSE de reconstrucción y mejora el PSNR en hasta 10 dB respecto a la MS-TIE, sin costo computacional adicional. En conjunto, este trabajo establece un marco coherente y progresivamente refinado para la microscopía de fase cuantitativa basada en TIE, integrando instrumentación compacta y de bajo costo, adquisición sin movimiento mecánico, iluminación libre de marcadores, procesamiento acelerado por GPU y optimización espectral. Más allá de las publicaciones centrales, la investigación comprende contribuciones complementarias en caracterización biológica, desarrollo de instrumentación y métodos computacionales alternativos, documentadas en presentaciones en congresos y publicaciones relacionadas. El conjunto de la obra representa un avance significativo en la accesibilidad y el rendimiento de la microscopía de fase cuantitativa para la investigación biológica y biomédica.
Descripción:
Editorial:
Udelar.FI.
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Financiadores:
Citación:
Silva Miraballes, A. Advances in TIE-based quantitative phase microscopy : instrumentation to numerical optimization for label-free biological analysis [en línea] Tesis de doctorado. Montevideo : Udelar. FI, 2026.
Citación:
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Documento del Gobiberno:
URI:
https://hdl.handle.net/20.500.12008/56556
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e-ISBN:
ISSN:
1688-2776
ISMN:
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Doctor en Ingeniería Física
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Universidad de la República (Uruguay). Facultad de Ingeniería
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