虚拟仿真技术在生物细胞特征分析研究中的应用

摘要

细胞是有机体构成和生命活动的基本单位，其形态结构复杂多变，功能也各不相同。在医学上，发病机制的研究、疾病的诊断、治疗效果的评估等都依赖于对细胞形态结构特征的识别。随着激光、光纤、半导体、生物、化学等科学技术的迅猛发展，综合各学科的荧光显微技术、光散射技术、光学相干层析技术、共聚焦显微技术等多种技术被用于生物细胞的研究中。数字相位显微技术因其快速、非侵入、无损伤、可定量等优势，最受科研者们的青睐，特别是在细胞大小分布和形体结构特征的研究方面，其中细胞相位提取、特征分析与重构是极其重要的研究内容。
　　随着计算机技术和数值计算方法的发展，虚拟仿真技术在各领域科学研究中发挥着越来越重要的作用。本文基于VirtualLab光学仿真系统的基本功能，结合生物细胞形态结构的光学特征，探究了可编程界面用于生物细胞模型建立的方法，展开了生物细胞特征分析的系列研究。
　　基于该系统展开了红细胞仿真实验和双波长相位解包裹方法的研究。通过红细胞包裹和解包裹相位，以及双波长相位解包裹过程的模拟，证明了VirtualLab仿真结果与真实实验结果和理论结果的一致性。同时还探讨了在不同波长的电磁波照射下，同一生物细胞的相位分布动态变化特征。
　　针对白细胞核式结构，基于VirtualLab系统建立了系列核式细胞模型。通过相位成像仿真实验，得到对应于不同模型的包裹相位分布。同时通过改变细胞模型外胞、核大小及个数，对其包裹相位图的变化进行了分析。通过对核式细胞解包相位的研究发现，细胞的解包相位和建立的细胞模型之间并不存在完全一一对应的关系。因此仅仅从一个方向获取的单幅细胞相位分布并不足以反演非均质细胞形态结构特征。
　　提出了一种核式细胞胞核特征提取方法。该方法是在通过相位显微和其他技术获得细胞的包裹相位分布和轴向物理厚度的前提下，经过数值计算可以得到细胞内部结构的相关信息，如:相对相位、相对光学厚度等。这一方法主要适用于相对独立的含有少数较大细胞器的生物细胞。为了证明该方法的可行性和正确性，我们分别对双核细胞模型和HeLa细胞进行了内部结构信息提取，得到了较好的结果。
　　此外，考虑到气泡与生物细胞在形态、尺度以及研究理论、研究模型上有着一定的相似性，均为光学透明介质，且流体中的气泡行为在工业过程中有着重要的作用，作者还对水中气泡光散射动态特征进行了仿真研究，得到了一些重要结论。
　　本文的工作拓展了VirtualLab仿真系统的功能，在生物细胞特征分析研究中得到了很好的应用，所获得的结果可为生物细胞形态结构重建提供一定的借鉴和应用基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物细胞特征分析研究的科学意义及研究现状

1．1．1 荧光显微技术

1．1．2 光散射测量技术

1．1．3 光学相干层析技术

1．1．4 相位显微技术

1．2 虚拟仿真技术发展及其在生物细胞特征分析研究中的应用现状

1．3 本文的主要工作及创新点

第二章 VirtualLab仿真系统在生物细胞特征分析中的基础应用

2．1 VirtualLab介绍

2．1．1 两种光学实验模拟系统

2．2．2 基于VirtualLab组合界面的生物细胞建模方法

2．2 红细胞相位成像仿真实验研究

2．2．1 红细胞模型建立

2．2．2 红细胞相位模拟

2．3 多波长相位显徽技术研究

2．3．1 不同波长下细胞相位变化

2．3．2 双波长相位解包裹方法研究

2．4 本章小结

第三章 VirtualLab仿真系统在非均质细胞特征分析中的应用

3．1 相位显微技术在非均质细胞研究中的应用

3．1．1 对定量相位显微技术的拓展和延伸

3．1．2 定量相位显微与其他技术的结合

3．2 基于VirtualLab系统的白细胞相位模拟

3．2．1 白细胞模型建立

3．2．2 基于白细胞模型的相位模拟

3．3 核式细胞形态结构变化对相位分布特征的影响

3．3．1 外胞大小变化对相位图的影响

3．3．2 细胞核厚度变化对相位图的影响

3．3．3 核的个数变化对相位图的影响

3．4 核式细胞解包相位分析

3．5 本章小结

第四章 水中气泡光散射动态特征分析仿真研究

4．1 流体中气泡检测研究现状

4．2 相对折射率＜1情况下的球散射仿真分析

4．3 气泡光散射特征分析

4．3．1 不同大小气泡前向、后向光散射特征分析

4．3．2 相同光源条件下，不同大小气泡前向、后向光做射特征分析

4．3．3 不同形状气泡前向、后向光散射特征分析

4．4 水粒光散射特征分析

4．5 结论

4．6 本章小结

第五章 核式细胞胞核特征提取的仿真研究

5．1 NFE方法及其理论

5．2 NFE方法的仿真模拟

5．3 基于NFE方法的HeLa细胞内部结构特征提取

5．4 NFE法特征分析

5．4．1 降低了无需解包裹的波长条件

5．4．2 多角度NFE

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文