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生物细胞数字全息相位成像仿真理论与技术

金卫凤  
【摘要】:生命科学正在从描述性科学向定量性科学发展,促使细胞光学定量检测技术成为了研究的热点。相位成像技术凭借其非侵入、无损伤和可定量的优点,为生物细胞的定量研究提供了有力工具。近十多年来,各式各样的基于数字全息的定量相位成像技术发展起来,并已成功地用于细胞的定量相位成像。然而对于细胞的研究或医疗诊断有用的细胞参数信息往往不能直接从定量相位中获得,基于定量相位成像技术的细胞特别是非均质细胞的定量检测研究工作尚处于初级阶段,还有待于进一步提高和完善。基于此,本文对生物细胞特别是非均质细胞的定量相位成像仿真理论和技术进行了研究,建立了双介质定量相位测量仿真方法,并在MATLAB软件平台上实现了该方法,基于该仿真方法探讨了简单细胞的亚结构成像、亚结构相对横向位置与光轴向位置对相位成像的影响以及红细胞在检测中不同位姿状态对其形态几何参数检测的影响。 结合同轴四步相移数字全息干涉技术和角谱法衍射及逆衍射数值计算,利用虚拟仿真计算建立了一种可用于生物细胞模型的定量相位成像的仿真模拟方法。利用这种方法实现了对单球相位体模型和形状不规则的非均质细胞HeLa细胞模型的定量相位成像,并通过对模拟、理论计算和其它课题组实验获得的相位图的比较证实了该模拟方法的可行性和可靠性。 引入双介质定量分析理论到基于四步相移的定量相位成像仿真模拟方法中,建立了可用于非均质细胞定量检测的双介质定量相位测量仿真模拟方法。利用这种模拟方法实现了均质细胞(红细胞)和非均质细胞(HeLa细胞)的定量相位成像,并从定量相位信息中获取了两种细胞的物理厚度和平均折射率信息。模拟结果表明利用这种方法无论是对均质细胞还是非均质细胞得到的物理厚度信息在任何成像区域与理论值的偏差都允许的范围内,是可靠的,而得到的轴向平均折射率信息在有效区域内也是可靠的,通过分析这个有效区域为计算得到的物理厚度h≥0.01μm的区域。 提出基于双介质定量相位测量方法的非均质相位体的亚结构成像方法,建立相应的仿真实验,并通过对双球模型及单核细胞模型的亚结构模拟成像,证实了这种方法对具有简单亚结构的相位体亚结构成像的可行性。引入分步传播理论到物光波的模拟中,通过对内部小球位置不同的双球相位体模型的模拟,研究了亚结构相对横向位置和光轴向位置对整个相位体相位成像结果的影响。模拟结果表明对于双球模型来说,内部小球在垂直光轴方向上的位置偏移使其解包裹相位图的较高区域向相应的方向偏移;内部小球在光轴方向上相对外部大球的位置的改变不影响解包裹相位的大体形貌,但是在小球边缘处存在一定的差别。通过与不考虑衍射效应得到的相位理论值进行比较,得到了小球光轴向位置和小球边缘处相位模拟值与理论值的最大正偏差之间的关系曲线。 基于曲线旋转成曲面的思想及三维图形旋转变换建立了不同位姿状态的较为精确的红细胞的双凹圆盘模型,利用之前建立的定量相位成像仿真模拟方法对不同位姿的红细胞模型进行了相位模拟成像并获取了它们的厚度、体积、表面积和球形度等形态几何参数信息,研究了红细胞不同位姿状态对相位成像及形态几何参数检测的影响。模拟结果表明由于同一红细胞不同位姿状态的相位成像结果及厚度分布情况不同,从而无法仅仅从模拟得到的红细胞的形态分布就判定红细胞的正常与否。基于定量相位成像技术测得的不同位姿状态的红细胞的体积、表面积和球形度与理论计算值的偏差都在允许范围内,证实了利用定量相位成像技术对红细胞形态几何参数测量的可行性和可靠性,但采用相位成像技术对表面积进行测量时还需要注意测量方法的适用范围,该适用范围为细胞厚度与直径之比大于0.3的情况,同时,测量时还需要考虑到细胞内凹结构的影响。


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