| 题名 | 基于光声效应的血红细胞免标记分析方法及应用研究 |
| 作者 | 赵文秀 |
| 答辩日期 | 2021-11-18 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 李文荣 ; 刘连庆 |
| 关键词 | 光声效应 红细胞分析 微流控 水凝胶表征 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Study of the Methods and Applications of Red Blood Cell Non-label Analysis based on Photoacoustic Effect |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 英文摘要 | 血红细胞是人体中数量最多的自体细胞，也是血液的重要组成部分，在转运气体、维持代谢平衡、参与免疫等多方面发挥生理作用。对红细胞进行分析，可以为糖尿病、镰状细胞病等很多疾病的诊疗提供依据。面向不同的疾病诊断需求，红细胞分析方法正朝着免标记、多参量、高通量等方向发展。当前很多红细胞分析方法都要求对红细胞进行预处理，而这些处理过程是有损伤的，因此引入新的原理实现对红细胞的免标记处理分析，有助于促进对红细胞的认识。光声成像作为一种新兴的成像技术，可以反映样本的光学吸收特性；而红细胞作为一种色素细胞，在可见光波段具有强烈的光吸收，使得光声用于红细胞免标记、高对比度的分析成为可能。本文基于光声方法，开展了面向红细胞的免标记分析及其应用的研究，包括以下几个方面：1）光声回声效应机理分析及其应用方法推导。对需要固定在基底上的红细胞或包含红细胞的微组织等样本进行光声成像时，会观察到光声回声效应。首先对光声回声效应的机理与特性进行分析和仿真，研究了增强光声回声信号的条件。光声回声信号仍然携带样本信息，对其进行适当利用有助于增强系统性能，拓展系统应用。以信噪比增强、轴向定位精度提升、机械特性三维测量为目标，提出了三种光声回声效应的利用方法，并对应用方法进行了理论推导。2）光声显微成像系统及其提升方法。针对红细胞分析及其应用的需要，设计，搭建并优化了光学分辨率的光声显微成像系统，在对系统性能进行表征后，还验证了二维和三维的光声成像。将提出的基于光声回声效应的系统提升方法用于实验研究，增强了红细胞光声图像的信噪比；提升了系统轴向定位精度，并实现了样本厚度测量的精度提升。3）结合微流控的快速红细胞分析方法研究。为提高光声单细胞分析效率，结合一个微流控芯片使得红细胞能够依次快速地通过光声检测位置。首先通过流场仿真分析选定了合适的光声检测位置，并分析了检测位置处的流速及其影响因素。实验中通过对流速进行稳定控制，实现了对红细胞浓度的测量。并进一步应用该方法对不同渗透压下的红细胞进行光声测量，并通过对大量红细胞光声信号的分布进行统计分析，得出其与渗透压的关系。并根据仿真和理论分析解释了渗透压与红细胞光声信号的联系。4）基于红细胞光声成像的水凝胶表征方法研究。三维生物制造领域中，水凝胶作为细胞外基质的方式材料为细胞提供了三维生长环境，水凝胶的孔隙结构对细胞生长、营养供给有重要影响。为解决水凝胶和细胞缺少对比度的问题，引入红细胞作为媒介封装在水凝胶中，通过光声成像对红细胞的空间分布进行测量，间接表征了水凝胶的孔隙分布情况。利用红细胞裂解液模拟营养物质，通过观察红细胞的裂解情况表征了水凝胶的孔隙连通性。并在实验中，根据红细胞的裂解程度，优化了水凝胶的制作参数，使得人肾上皮细胞在其中实现了更好的存活率。另外，还将提出的基于光声回声效应的三维机械特性测量方法用于实验研究，使用不同浓度的明胶模拟不同机械特性的组织，实现了机械特性的三维表征。本文的研究工作围绕红细胞的光声分析方法进行展开，为提升光声显微成像技术及其应用提供了一定的理论依据，为实现系统性能提升、红细胞快速检测、基于红细胞的水凝胶仿生组织多参量表征提供了相关技术支持，将对红细胞分析、三维生物制造等领域产生推动作用。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 108页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/30067]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵文秀. 基于光声效应的血红细胞免标记分析方法及应用研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
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