分析相移生物细胞数字全息相位成像仿真和技术期刊

摘要：生命科学正在以描述性科学向定量性科学进展,促使细胞光学定量检测技术成为了探讨的热点。相位成像技术凭借其非侵入、无损伤和可定量的优点,为生物细胞的定量探讨提供了有力工具。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进展起来,并已成功地用于细胞的定量相位成像。然而对于细胞的探讨或医疗诊断有用的细胞参数信息往往不能直接以定量相位中获得,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探讨工作尚处于初级阶段,还有待于进一步提升和改善。基于此,本论文对生物细胞特别是非均质细胞的定量相位成像仿真论述和技术进行了探讨,建立了双介质定量相位测量仿真策略,并在MATLAB软件平台上实现了该策略,基于该仿真策略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策略。利用这种策略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、论述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策略的可行性和可靠性。引入双介质定量浅析论述到基于四步相移的定量相位成像仿真模拟策略中,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策略。利用这种模拟策略实现了均质细胞(红细胞)和非均质细胞(HeLa细胞)的定量相位成像,并以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策略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论述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,通过浅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策略的非均质相位体的亚结构成像策略,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,证实了这种策略对具有简单亚结构的相位体亚结构成像的可行性。引入分步传播论述到物光波的模拟中,通过对内部小球位置不同的双球相位体模型的模拟,探讨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转变不影响解包裹相位的大体形貌,但是在小球边缘处有着一定的差别。通过与不考虑衍射效应得到的相位论述值进行比较,得到了小球光轴向位置和小球边缘处相位模拟值与论述值的最大正偏差之间的联系曲线。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策略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,探讨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,以而无法仅仅以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、表面积和球形度与论述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,但采取相位成像技术对表面积进行测量时还需要注意测量策略的适用范围,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。关键词：相位成像论文细胞检测论文数字全息论文四步相移论文

摘要6-8

ABSTRACT8-13

第一章 绪论13-31

1.1 探讨背景13-15

1.2 相位成像论述及技术的进展15-23

1.2.1 定性相位成像技术15-16

1.2.2 定量相位成像技术16-23

1.3 仿真技术的探讨近况23-25

1.4 生物细胞定量相位成像技术的探讨近况25-28

1.5 本论文的主要探讨内容与革新工作28-31

1.5.1 本论文的探讨目的28-29

1.5.2 本论文的主要探讨内容29-30

1.5.3 本论文的主要革新点30-31

第二章 数字全息的定量相位成像及仿真技术的基础论述31-41

2.1 光波的干涉论述及仿真实现31-37

2.1.1 光波的复振幅表示31-35

2.1.2 波的干涉及相干条件35-36

2.1.3 光波干涉的仿真36-37

2.2 数字全息论述37-40

2.2.1 全息的数字记录37-38

2.2.2 数字的衍射再现38-40

2.3 本章小结40-41

第三章 基于同轴四步相移的定量相位成像论述及仿真技术41-59

3.1 基于同轴四步相移数字全息干涉的定量相位成像论述41-47

3.1.1 同轴四步相移数字全息干涉论述42-43

3.1.2 衍射的角谱论述43-46

3.1.3 相位体的定量相位成像46-47

3.2 仿真模拟47-53

3.2.1 物光波的建立47-51

3.2.2 数字全息图的记录51

3.2.3 物光波重构51-53

3.3 模拟结果与浅析53-57

3.3.1 单球相位体53-56

3.3.2 HeLa细胞56-57

3.4 本章小结57-59

第四章 双介质定量相位测量论述及仿真技术59-71

4.1 双介质定量浅析论述59-61

4.2 双介质定量相位测量仿真模拟61-70

4.2.1 仿真模拟流程61

4.2.2 均质细胞(红细胞)的双介质定量浅析模拟61-66

4.2.3 非均质细胞(HeLa)的双介质定量浅析模拟66-70

4.3 本章小结70-71

第五章 非均质相位体的亚结构相位成像论述及仿真技术71-99

5.1 基于双介质定量测量的细胞亚结构成像论述71-74

5.1.1 亚结构细胞模型71-72

5.1.2 基于双介质定量测量的细胞亚结构成像论述72-74

5.2 细胞亚结构形状参数的确定案例及仿真模拟74-81

5.2.1 亚结构形状参数的确定案例74-75

5.2.2 仿真模拟的模型建立及参数设置75-76

5.2.3 模拟结果与比较浅析76-81

5.3 细胞亚结构位置对相位成像的影响探讨81-98

5.3.1 分步传播论述81-85

5.3.2 基于分步传播论述的相位体物波模拟85-90

5.3.3 双球模型的亚结构位置对相位成像影响的模拟探讨90-98

5.4 本章小结98-99

第六章 基于相位成像仿真技术的红细胞定量检测基础探讨99-115

6.1 红细胞模型建立99-103

6.1.1 红细胞的特点99

6.1.2 红细胞的双凹圆盘模型建立99-101

6.1.3 不同位姿红细胞的模型101-103

6.2 正姿态红细胞的相位成像及形态参数检测103-105

6.2.1 相位成像103

6.2.2 形态参数检测103-105

6.3 不同位姿对红细胞形态参数检测的影响105-114

6.3.1 不同位姿红细胞的相位成像105-107

6.3.2 不同位姿对厚度的影响107-110

6.3.3 不同位姿对其他形态参数的影响110-114

6.4 本章小结114-115

第七章 总结与展望115-119