细胞后向散射显微光谱研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.61MB 51 页 15积分

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摘要

癌症是威胁人类健康的主要杀手，具有极高的发病率和死亡率。大量研究表

明：战胜癌症最有效的方法就是早期发现、早期治疗。近年来，生物医学光学检

测方法被广泛的应用于癌症的早期检测，生物细胞的光学检测也得到了长足发展，

用于细胞水平的散射光谱检测技术是当今生物光子学的一个新兴领域。

本文在光纤共聚焦显微成像系统的基础上，结合细胞散射理论，分析了人体

细胞癌变前后结构和生化特性上的改变所反映出的光学特性的变化，建立了一套

基于光纤共聚焦的细胞检测装置，包括 CCD 光纤光谱分析系统、显微成像定位系

统和数据分析系统，能够同时获取细胞显微图像和显微光谱医学信息。贴壁培养

人正常和癌变胃上皮细胞，并在培养过程中，采集细胞在生长过程中的图片,分析

细胞的结构特征，利用搭建的细胞检测装置对活细胞进行检测，得到细胞水平的

显微光谱特性。

根据实验中所得的大量光谱曲线图和相对应的细胞结构形态图，参照细胞散

射理论，分析了实验所得的光谱曲线。正常和癌变胃上皮细胞的显微后向散射光

谱曲线与现有理论分析结果一致。验证了系统能够在细胞水平上辨别正常和癌变

细胞的显微光谱。说明本文研制的装置用于细胞的癌变检测是可行的，为以后的

研究提供了必要的实验基础。

关键词：共聚焦显微光谱 CCD 光谱仪细胞

ABSTRACT

Cancer is the main killer to the human health, which has high incidence of a disease

and high death rate. Lots of investigations indicted: early diagnosis and treatment are

most effective way to conquer cancer. Recently, biomedical optics measurement is

widely used in cancer forepart measurement and the optical measurement in cell has

made rapid progress. The light scattering spectrum detection technology on cell is a new

field of biology photonics.

This paper based on fiber confocal micrography, integrating the cell scattering

theory, and analyze the optical identity of the change in human normal and abnormal

cell, ultimately we set up a cell detection system by fiber confocal, which combined

spectrum analysis system and micrography orientation system and data analysis system,

the cell detection system can obtain cell micrograph and microscopy spectrum

information. We also cultured the human normal and abnormal stomach epithelium cells,

during which cell images and structural characters are collected. Finally, we detect the

live cells by the detection system, and obtain the cell spectrum curve.

According to the spectrum curve graph and the corresponding cell structure picture,

we analyzed the spectrum curve by the cell scattering theory. The microscopy back

scattering spectrum curve of human normal and abnormal stomach epithelium cells,

which are in accordance with the theory results, proves that our detection system can

detect the cell cancer, and provide a useful means for the later experiment study.

Key word: confocal, microscopy spectrum, CCD spectrograph, cell

III

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 引言 ......................................................... 1

§1.2 细胞后向散射光谱研究的来源和意义 ..............................1

§1.3 国内外研究的相关技术与成果 ................................... 3

§1.4 本文的主要研究工作 ........................................... 4

§1.5 论文的内容安排 ............................................... 4

§1.6 本文的主要创新点 ............................................. 5

第二章实验测量系统研究与细胞散射理论分析 ............................ 6

§2.1 共聚焦显微镜系统 ............................................. 6

§2.1.1 光纤共聚焦显微系统分析 ................................... 7

§2.1.2 光纤共聚焦显微镜的成像过程 ................................ 7

§2.1.3 共聚焦显微镜的分辨能力 ................................... 11

§2.1.4 耦合透镜组中显微物镜的选取 ............................... 14

§2.1.5 结论 ..................................................... 17

§2.2 细胞后向散射理论分析 ........................................ 17

§2.2.1 典型细胞光散射理论 ...................................... 18

§2.2.2 小结 .................................................... 22

§2.3 本章总结 .....................................................23

第三章细胞显微光谱测量系统与实验样品培养 ........................... 24

§3.1 光纤共聚焦显微光谱测量系统的设计思想 ........................ 24

§3.2 光纤共聚焦显微光谱测量系统的建立 ............................ 25

§3.2.1 白光照明系统 ............................................ 25

§3.2.2 光纤共聚焦光谱分析系统 ................................. 26

§3.2.3 显微成像和定位系统 ..................................... 27

§3.2.4 数据分析系统 ........................................... 27

§3.2.5 实验系统总述 ........................................... 28

§3.3 用于显微光谱测量的实验样品 .................................. 29

§3.3.1 人胃细胞的培养和实验样品的处理 ........................... 30

§3.4 本章总结 .................................................... 32

第四章细胞显微光谱测试与分析 ....................................... 34

§4.1 细胞显微光谱分析的依据 .......................................34

§4.1.1 人胃正常上皮细胞特点 ..................................... 34

§4.1.2 恶性肿瘤细胞的特点 ....................................... 34

§4.1.3 正常细胞与癌细胞的比较 ................................... 35

§4.2 胃粘膜上皮细胞的光谱测量与分析 .............................. 36

§4.2.1 正常细胞与癌细胞的光谱分析 ............................... 37

§4.2.2 小结 .................................................... 39

§4.3 本章总结 .................................................... 40

第五章论文工作总结与展望 ........................................... 41

§5.1 工作总结 .................................................... 41

§5.2 工作展望 .................................................... 41

参考文献 ............................................................ 43

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 48

致谢 .............................................................. 49

第一章绪论

§1.1 引言

2005 年6月《中国癌症预防与控制规划纲要 2004-2010》[1]中指出，癌症是

以细胞异常增殖及转移为特点的一大类疾病。癌症正在成为 21 世纪人类的第一杀

手。目前我国在 0～64 岁人口中，每死亡 4人，即有 1人死于癌症。专家指出，

中国 80%以上的癌症患者被确诊时病情已经发展到中晚期，

然而 90%以上的癌症只要能够被及早治疗，大多数是可以治愈的。癌症的早

期发现、早期诊断及早期治疗目前已经作为我国提高五年生存率及降低死亡率的

主要策略之一。

用于细胞水平的光学检测技术是当今生物光子学的一个新兴领域。生物组织

癌变过程中，癌变细胞的形态和结构相对正常细胞存在很大的差别，这体现在癌

细胞的体积增大，细胞核明显增大且外形不规则，以及细胞核包含的脱氧核糖核

酸(DNA)内含物和染色体的质地发生变化。细胞的形态和生化成分发生的这些变化

必然会对细胞的显微图像和光学散射光谱特性产生重大影响[2][3]。光谱检测技术

直接反映着被测组织的结构、生物化学成份的含量和分布情况，可以快速辨别病

变的不同阶段并且监控其发展。

由于人体的复杂性，有效治疗疾病需要这些新技术来提供更加精确、全面的

诊断信息。特别是癌症，由于目前治疗手段无法对中、晚期癌症进行有效治疗前，

它具有很高的发病率和死亡率，已成为威胁人类生命的主要杀手。而现有医疗检

测设备无法及时、有效的提供早期癌症的诊断信息。因为癌症的早期发现和治疗

可以大大提高患者的存活几率，所以发展癌症早期检测和治疗的设备至关重要。

根据光纤共聚焦已体现出的层析能力的优点，再融合光谱检测技术，它完全可能

成为一种新型的、高效的癌症早期检测设备，可以快速、无损地进行活细胞的癌

变检测。

§1.2 细胞后向散射光谱研究的来源和意义

光与生物组织相互作用的主要形式是吸收和散射[4]。光在生物组织中传输是

一个通过混浊介质的过程，散射是细胞对光作用的主要形式，研究组织的散射特

性对于光学诊断和治疗都具有指导性的意义。在临床医学应用方面，许多疾病的

辅助诊断、疗效观察、预后判断都依赖于对细胞形态特征的识别。相对于正常组

细胞后向散射显微光谱研究

织，病变组织生化成分会发生改变[5]，如：癌变组织的血红蛋白和去氧血红蛋白

的增加，这些变化能够提供一些光学检测信息。但对于细胞来说，由于细胞内各

成分的含量比较小，其对光学特性的影响较小。而病理学家分析肿瘤特征的主要

依据是细胞的形态[6]，因为癌变细胞具有一些独特的特征，如：细胞核质比、细

胞核形状、细胞边界等的差异，癌细胞形态的变化会使光在组织中的传输特性发

生变化，影响到细胞的光散射特性[7]。

近年来，生物细胞的光学检测方法也得到了长足发展，活体组织光学检测技

术的发展主要是由于可见和近红外光对于活细胞和生物组织是比较好的选择，因

为可见光和近红外光对细胞没有损害，可以很好地获得细胞成分和结构的光学特

性。这样就可以方便的检测细胞在自然生长状态的结构和功能[8]，能够进行活细

胞病理研究和在体组织诊断。光散射光谱和弹性散射光谱逐渐被应用到生物问题

研究和癌症检测技术中[9~11]，目前正在为早期癌变组织的光检测提供必要的理论

依据和实验基础。

光谱学是通过物质对光的吸收和散射，研究光与物质相互作用的一门学科。

当光通过组织体发生反射、折射、散射和吸收时，光谱携带了被测组织体内部的

结构和生物成份的信息。很多研究小组[12]已尝试采用光谱测量技术来快速检测组

织的早期癌变，这包括与振动能级有关的 Raman 光谱和近红外光谱、用于特征标

示的荧光光谱以及跟组织内部吸收体相关的漫反射光谱。在光谱测量中，信号光

经历了弹性散射和吸收，可以提供有关散射体和吸收体的信息，这些信息会随着

组织的癌变发生变化。同时，光谱仪在癌症检测中的应用越来越广泛，其简单的

结构、相对低廉的成本、操作的简便是吸引大家的主要优点，可以很好的作为现

有医学检测设备的有益补充。

根据有核细胞的细胞光学特性（散射和吸收），结合共聚焦显微成像技术和

CCD 光纤光谱技术，对人体的活性组织进行检测、分析，在细胞水平上检测细胞

的显微光谱特性，依据细胞病变前后形态和代谢等的变化，利用共聚焦显微技术

和CCD 光纤光谱技术，根据数学模型分析细胞内部成分形态（细胞对光的散射

特性）和成分含量（细胞对光的吸收特性）的变化，这是目前世界范围内科学家

们研究的下一个热点问题。

当前，肿瘤诊断的金标准还是病理切片的显微镜观察和研究，主要反映的也

是细胞的形态结构。根据世界和中国癌症的现状和早期诊断的需要，癌变的早期

诊断和早期治疗是当前医疗科研工作者和临床医生以及病人共同期待的目标，特

别是新的诊断方式和手段更是当前研究的热点。

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摘要：

I摘要癌症是威胁人类健康的主要杀手，具有极高的发病率和死亡率。大量研究表明：战胜癌症最有效的方法就是早期发现、早期治疗。近年来，生物医学光学检测方法被广泛的应用于癌症的早期检测，生物细胞的光学检测也得到了长足发展，用于细胞水平的散射光谱检测技术是当今生物光子学的一个新兴领域。本文在光纤共聚焦显微成像系统的基础上，结合细胞散射理论，分析了人体细胞癌变前后结构和生化特性上的改变所反映出的光学特性的变化，建立了一套基于光纤共聚焦的细胞检测装置，包括CCD光纤光谱分析系统、显微成像定位系统和数据分析系统，能够同时获取细胞显微图像和显微光谱医学信息。贴壁培养人正常和癌变胃上皮细胞，并在培养过程中，采集细...

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