血液細胞逼近模型及其光散射特征的研究.pdf

1、本文以江蘇省自然基金(BK2008230)和江蘇省高校自然科學(xué)重大基金(09KJA140001)為支撐，針對光散射方法對生物細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)研究中球模型與Mie理論并不能適合真實測量中的非球形細胞與病變細胞這樣的背景。以血液細胞為主要研究對象，對近真實非球形細胞的光散射理論、光強、相位分布與細胞形態(tài)的關(guān)系進行了研究，并對細胞群的散射響應(yīng)微分方程、反演方法、復(fù)散射問題進行了初步的探討。
　　 本文根據(jù)真實血液細胞在血管中流動時的形體特

2、征，建立了雙層橢球模型，通過改進RDG的形狀因子P(θ)，對各向異性細胞的體極化率按體平均進行修正，引入形體因子η控制模型的幾何形態(tài)，獲得彈性光入射下基于雙層橢球核式模型的單一有核細胞散射光強分布函數(shù)。應(yīng)用數(shù)值計算技術(shù)分別討論了細胞在大小變化、胞質(zhì)厚度變化、核質(zhì)大小變化、細胞形體變化、折射率變化、入射角變化情況下對其光散射強度分布所產(chǎn)生的影響，并建立相應(yīng)的模型進行數(shù)值計算和三維擬合。得到了有核細胞光散射強度分布與有核細胞相關(guān)物理特征量變

3、化下的動態(tài)響應(yīng)關(guān)系及其影響特征。此外，對有核細胞在形體和入射角連續(xù)變化情況下，光散射強度所受的影響進行了數(shù)值擬合，并對擬合效果進行了誤差估算。
　　 同時從白細胞形體結(jié)構(gòu)的特點出發(fā)，建立了單核細胞的雙層偏心球模型?；贛ie散射理論和電磁波界面?zhèn)鬏斃碚摚瑧?yīng)用幾何散射逼近方法得到了單核細胞的散射光振幅函數(shù)，其數(shù)值計算結(jié)果與運用有限元方法計算的VirtualLab虛擬仿真結(jié)果一致，得到了散射光強隨散射角呈震蕩變化且集中于前向、偏振化

4、程度集中于后向、相函數(shù)隨散射角快速震蕩衰減、散射光強分布與細胞核有關(guān)等結(jié)論。散射光強的角分布還呈現(xiàn)出了三種不同頻率的光強調(diào)制，分析了這三種調(diào)制出現(xiàn)的物理機制，指出調(diào)制特性與細胞的形體參數(shù)光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系：低頻調(diào)制在細胞大小尺度內(nèi)無變化；次低頻調(diào)制與細胞的相對折射率和核質(zhì)比有關(guān)；高頻調(diào)制的缺失與相對折射率和入射取向有關(guān)。并且指出細胞核緊貼細胞的情況下會有調(diào)制畸變現(xiàn)象出現(xiàn)。
　　 將散射相位信息作為對光強信息的補充，分析了雙層偏心

5、球模型相位變化的三個來源，修正了雙層偏心球模型下的散射截面函數(shù)和相函數(shù)。從不規(guī)則肌細胞的顯微圖像出發(fā)，利用色標標定的方法從中提取出光學(xué)厚度的信息，光學(xué)厚度引起平面光的相位發(fā)生變化，從中計算出物光的復(fù)振幅表達。簡單討論了解決微粒群散特問題的方法。對于稀疏媒介系統(tǒng)引入了形貌概率分布函數(shù)P(η)、和形貌影響因子函數(shù)T(η)，推導(dǎo)出任意形貌微粒的散射響應(yīng)微分方程，解決其粒徑形體分布問題。對于稠密媒介考慮復(fù)散射光強，推導(dǎo)出基于輻射傳播方程的球形微

6、粒群的復(fù)散射光強角分布并利用等效橢圓截面解決非球形微粒群的散射問題。
　　 最后分析了兩個應(yīng)用范例：將橢球模型應(yīng)用于紅細胞，引入扁橢球的體極化率，得到了散射光強分布及其數(shù)值結(jié)果，表明其前向、側(cè)向及后向光散射精細譜的呈現(xiàn)。可以較容易地辨別病理狀態(tài)的紅細胞并應(yīng)用于對紅細胞的變形性研究。針對后向光散射技術(shù)在細胞檢測中的應(yīng)用瓶頸，對白細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)進行了分析，由此建立了白細胞五類的物理模型，基于光散射理論，應(yīng)用數(shù)值仿真計算技術(shù)對白細胞五類