虛擬仿真技術(shù)在生物細(xì)胞特征分析研究中的應(yīng)用.pdf

1、細(xì)胞是有機(jī)體構(gòu)成和生命活動(dòng)的基本單位，其形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，功能也各不相同。在醫(yī)學(xué)上，發(fā)病機(jī)制的研究、疾病的診斷、治療效果的評(píng)估等都依賴于對(duì)細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別。隨著激光、光纖、半導(dǎo)體、生物、化學(xué)等科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，綜合各學(xué)科的熒光顯微技術(shù)、光散射技術(shù)、光學(xué)相干層析技術(shù)、共聚焦顯微技術(shù)等多種技術(shù)被用于生物細(xì)胞的研究中。數(shù)字相位顯微技術(shù)因其快速、非侵入、無損傷、可定量等優(yōu)勢(shì)，最受科研者們的青睞，特別是在細(xì)胞大小分布和形體結(jié)構(gòu)特征的研究方

2、面，其中細(xì)胞相位提取、特征分析與重構(gòu)是極其重要的研究?jī)?nèi)容。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在各領(lǐng)域科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文基于VirtualLab光學(xué)仿真系統(tǒng)的基本功能，結(jié)合生物細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特征，探究了可編程界面用于生物細(xì)胞模型建立的方法，展開了生物細(xì)胞特征分析的系列研究。
　　基于該系統(tǒng)展開了紅細(xì)胞仿真實(shí)驗(yàn)和雙波長(zhǎng)相位解包裹方法的研究。通過紅細(xì)胞包裹和解包裹相位，以及雙波長(zhǎng)相位解包

3、裹過程的模擬，證明了VirtualLab仿真結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果的一致性。同時(shí)還探討了在不同波長(zhǎng)的電磁波照射下，同一生物細(xì)胞的相位分布動(dòng)態(tài)變化特征。
　　針對(duì)白細(xì)胞核式結(jié)構(gòu)，基于VirtualLab系統(tǒng)建立了系列核式細(xì)胞模型。通過相位成像仿真實(shí)驗(yàn)，得到對(duì)應(yīng)于不同模型的包裹相位分布。同時(shí)通過改變細(xì)胞模型外胞、核大小及個(gè)數(shù)，對(duì)其包裹相位圖的變化進(jìn)行了分析。通過對(duì)核式細(xì)胞解包相位的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的解包相位和建立的細(xì)胞模型之間并不

4、存在完全一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此僅僅從一個(gè)方向獲取的單幅細(xì)胞相位分布并不足以反演非均質(zhì)細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。
　　提出了一種核式細(xì)胞胞核特征提取方法。該方法是在通過相位顯微和其他技術(shù)獲得細(xì)胞的包裹相位分布和軸向物理厚度的前提下，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算可以得到細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，如:相對(duì)相位、相對(duì)光學(xué)厚度等。這一方法主要適用于相對(duì)獨(dú)立的含有少數(shù)較大細(xì)胞器的生物細(xì)胞。為了證明該方法的可行性和正確性，我們分別對(duì)雙核細(xì)胞模型和HeLa細(xì)胞進(jìn)行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)