【摘要】：顆粒涉及環(huán)境監(jiān)督、機(jī)械制造、食品檢測(cè)、藥物篩查等領(lǐng)域。顆粒尺寸的精確測(cè)量不僅影響到產(chǎn)品的質(zhì)量,而且還與儀器的性能測(cè)試及校準(zhǔn)密切相關(guān)。白血病作為十大惡性腫瘤之一,其發(fā)病率和死亡率逐年上升,早發(fā)現(xiàn)和個(gè)性化治療是降低白血病死亡率的關(guān)鍵。目前臨床上主要依據(jù)細(xì)胞的化學(xué)特性、免疫表型、遺傳學(xué)特性和臨床特征對(duì)白血病進(jìn)行檢測(cè),但該類方法操作復(fù)雜,時(shí)間冗長(zhǎng),依賴細(xì)胞的熒光染料標(biāo)記,并且需要很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)。光散射檢測(cè)技術(shù)以其簡(jiǎn)便、快速、精確、重復(fù)性好、無(wú)破壞性等優(yōu)點(diǎn),在顆粒尺寸測(cè)量和生物細(xì)胞檢測(cè)領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。本文旨在探究二維光散射靜態(tài)細(xì)胞術(shù)在顆粒尺寸測(cè)量和白血病細(xì)胞檢測(cè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。首先,介紹了二維光散射靜態(tài)細(xì)胞檢測(cè)分析系統(tǒng),在利用標(biāo)準(zhǔn)微球?qū)ζ湫阅苓M(jìn)行綜合測(cè)試后,將其應(yīng)用于酵母細(xì)胞的尺寸測(cè)量,及白血病細(xì)胞和正常細(xì)胞的鑒別分類。之后,對(duì)二維光散射靜態(tài)細(xì)胞分析系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了急性和慢性白血病細(xì)胞的自動(dòng)鑒別分類。本文的主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:(1)分析了影響二維光散射靜態(tài)細(xì)胞檢測(cè)分析系統(tǒng)測(cè)量精度的因素。該系統(tǒng)能夠探測(cè)79°≤θ≤101°和79° ≤ φ≤101°范圍內(nèi)的二維光散射信息,反演可得到被測(cè)顆粒的結(jié)構(gòu)信息。系統(tǒng)功能的模塊化設(shè)計(jì),使得裝置的維護(hù)和功能擴(kuò)展更加方便。(2)實(shí)驗(yàn)評(píng)估二維光散射靜態(tài)細(xì)胞檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。利用平均粒徑4.19 μm的標(biāo)準(zhǔn)微球樣本,通過(guò)靜態(tài)細(xì)胞儀探測(cè)其2D散射圖樣,將實(shí)驗(yàn)探測(cè)結(jié)果和Mie散射理論模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的高度吻合論證了二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀的一致性和重復(fù)性。利用平均粒徑3.87 μm和平均粒徑4.19 μm的標(biāo)準(zhǔn)微球樣本,通過(guò)靜態(tài)細(xì)胞儀對(duì)其進(jìn)行尺寸測(cè)量與鑒別分類,將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和微球的已知尺寸信息進(jìn)行對(duì)比分析,測(cè)量結(jié)果和已知信息的高度吻合論證了二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀的分辨率。結(jié)果表明,二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀可為顆粒尺寸測(cè)量和生物細(xì)胞檢測(cè)提供一種具有亞微米級(jí)分辨率的免標(biāo)記、易操作、低成本的方法和裝置。(3)探究了 79°-101°二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀在酵母細(xì)胞尺寸測(cè)量、及白血病細(xì)胞和正常粒細(xì)胞鑒別分類領(lǐng)域的應(yīng)用。酵母細(xì)胞尺寸測(cè)量的研究論證了二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀在生物顆粒粒度測(cè)量方面的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)白血病細(xì)胞和正常粒細(xì)胞2D散射圖樣的特征提取分析,利用散斑數(shù)量和散斑平均面積這兩個(gè)特征參量,79°-101°二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀分別以92.5%和100%的準(zhǔn)確率將急性髓系白血病細(xì)胞HL-60和慢性髓系白血病細(xì)胞K562從正常粒細(xì)胞中鑒別出來(lái),表明二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀有望為臨床上白血病的前期篩查提供一種免標(biāo)記的二維光散射檢測(cè)技術(shù)和裝置。(4)對(duì)79°-101°二維光散射靜態(tài)細(xì)胞檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化。通過(guò)對(duì)靜態(tài)液基芯片和二維光散射圖樣探測(cè)模塊進(jìn)行改進(jìn),搭建了能夠探測(cè)26°≤θ≤154°和26°≤φ≤154°范圍內(nèi)二維散射光信息的廣角度靜態(tài)細(xì)胞儀。平均粒徑3.87μm和平均粒徑4.19 μm標(biāo)準(zhǔn)微球?qū)嶒?yàn)測(cè)試結(jié)果和Mie散射理論模擬結(jié)果的高度一致性,論證了廣角度二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀在40°-100°和26°-154°范圍內(nèi)精確獲得被測(cè)顆粒廣角度二維光散射信息的能力。散射角度范圍越廣,包含被測(cè)顆粒的信息就越多,二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀的物理分辨率就越高。(5)探究了廣角度二維光散射靜態(tài)細(xì)胞儀在白血病分型診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)廣角度靜態(tài)細(xì)胞儀探測(cè)急性髓系白血病細(xì)胞HL60和慢性髓系白血病細(xì)胞K562在26°-154°范圍內(nèi)的2D散射圖樣,利用灰度差分統(tǒng)計(jì)法提取2D散射圖樣的紋理特征:對(duì)比度、角度方向二階矩和熵,結(jié)合SVM機(jī)器學(xué)習(xí),分別以92%和95%的準(zhǔn)確率實(shí)現(xiàn)了 HL60細(xì)胞和K562細(xì)胞的自動(dòng)鑒別分類。該方法以點(diǎn)帶面,對(duì)白血病的其他亞型細(xì)胞甚至是其他癌癥細(xì)胞的免標(biāo)記光散射檢測(cè)分析有一定的借鑒作用。研究結(jié)果表明,本文研發(fā)的高精度顆粒尺寸測(cè)量和白血病細(xì)胞檢測(cè)的二維光散射靜態(tài)細(xì)胞分析技術(shù),具有成本低、操作簡(jiǎn)單、特異性強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn);并且該檢測(cè)方法無(wú)需任何標(biāo)記,是非侵入式的,不會(huì)對(duì)被測(cè)樣本形成干擾,尤其適用于活細(xì)胞檢測(cè)。本研究為臨床白血病的前期篩查和分型提供了新的思路,為全血中的白血病細(xì)胞檢測(cè)奠定了一定的基礎(chǔ)。
【圖文】：

當(dāng)細(xì)胞被激光激發(fā)時(shí)，其散射光分為前向散射（Ｆｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＦＳＣ）、逡逑側(cè)向散射（Ｓｉｄｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＳＳＣ）和后向散射（Ｂａｃｋｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，邋ＢＳＣ），如逡逑圖１－１所示。其中，ＦＳＣ主要受細(xì)胞的整體大小影響，ＳＳＣ主要和細(xì)胞的顆粒逡逑度有關(guān)，，而ＢＳＣ則對(duì)細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的大小比例及細(xì)胞的光密度變化比較敏感逡逑［７５－７８］。如圖１－２所示，相同條件下，散射顆粒的尺寸越大，其ＦＳＣ的散射強(qiáng)度逡逑越強(qiáng)；散射顆粒越復(fù)雜，ＳＳＣ的散射強(qiáng)度就越強(qiáng)。Ｍｏｕｒａｎｔ等認(rèn)為生物細(xì)胞大逡逑角度的散射特性主要受線粒體或者和線粒體尺寸相近的其他細(xì)胞器的影響，細(xì)逡逑胞核則主要影響小角度的散射特性［７９］。Ｂａｃｋｍａｎ等通過(guò)對(duì)細(xì)胞ＢＳＣ光譜的分逡逑析，獲得了細(xì)胞核大小、折射率、線粒體分布等亞微米或納米級(jí)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)信逡逑息［８0－８２］，并用于癌前細(xì)胞檢測(cè)［８３］。Ｄｕｎｎ邋等人利用邋Ｆｉｎｉｔｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ、逡逑Ｍｉｅ、Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ等理論模擬研宄細(xì)胞的光散射性質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供了理論逡逑支持［８４圳。逡逑（ａ）邐散射顆咖寸邐（ｂ）逡逑ｙ邋ｉｓ邐ｓｓｃ散射強(qiáng)度增大＇逡逑Ｓ邐＿邋丨邐Ｉ邐｜逡逑＾邐１１邐ｉ邐Ｓ邐丨？邋＠邋＃逡逑賬邐ａ邐｛￡邐

邐ＢＳＣ邋（ｉｐ邐ＦＳＣ逡逑ＳＳＣ逡逑圖１－１前向、側(cè)向和后向散射示意圖逡逑當(dāng)細(xì)胞被激光激發(fā)時(shí)，其散射光分為前向散射（Ｆｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＦＳＣ）、逡逑側(cè)向散射（Ｓｉｄｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＳＳＣ）和后向散射（Ｂａｃｋｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，邋ＢＳＣ），如逡逑圖１－１所示。其中，ＦＳＣ主要受細(xì)胞的整體大小影響，ＳＳＣ主要和細(xì)胞的顆粒逡逑度有關(guān)，而ＢＳＣ則對(duì)細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的大小比例及細(xì)胞的光密度變化比較敏感逡逑［７５－７８］。如圖１－２所示，相同條件下，散射顆粒的尺寸越大，其ＦＳＣ的散射強(qiáng)度逡逑越強(qiáng)；散射顆粒越復(fù)雜，ＳＳＣ的散射強(qiáng)度就越強(qiáng)。Ｍｏｕｒａｎｔ等認(rèn)為生物細(xì)胞大逡逑角度的散射特性主要受線粒體或者和線粒體尺寸相近的其他細(xì)胞器的影響，細(xì)逡逑胞核則主要影響小角度的散射特性［７９］。Ｂａｃｋｍａｎ等通過(guò)對(duì)細(xì)胞ＢＳＣ光譜的分逡逑析
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R733.7;R730.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2643832