虚拟仿真技术在生物细胞特征分析研究中的应用
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。
生物细胞;特征分析;虚拟仿真;显微成像
江苏大学
硕士
物理电子学
王亚伟
2014
中文
Q246
68
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）