非干预式免标记血细胞空间本征散射早期病变诊断反演规律研究

Cells diagnosis in non-intervened conditions is the recent research focus for human life information detection. A method named as “the spatial intrinsic scattering inversion laws for label free blood cells in non-intervened states” is put forward herein. Aiming at the key scientific problem of the spatial intrinsic scattering inversion laws, the spatial intrinsic scattering study method supported by FDTD principle of tomographic nuclear membrane combined with image technologies sub-cell structures is proposed, so that the intrinsic physical scattering mechanism during cells pathological processes can be revealed clearly. The novel approach is presented of multi-modal spatial scattering inversion by pattern recognition technology to clarify the effect mechanism of cell pathological states and the intrinsic scattering. The core purpose is to explore the statistics, exclusiveness and specific pathological cells scattering inversion laws. Finally, the innovative inversion authentication scheme is given by applying single cell scattering feedback and multi-cell statistics scattering experiments by which to test intrinsic scattering inversion laws can be realized accurately. Clinical cells are directly adopted in this project whose ultimate goal is to seek the laws that can be applied to diagnose malignant cells by their intrinsic scattering information. Therefore, there is a great significance both on theoretical researches and on clinical applications.

对非干预状态下的细胞病变诊断研究是目前生命信息检测领域的研究热点。本项目提出了一种非干预式病变细胞空间本征散射识别的免标记诊断方法；瞄准“非干预状态下免标记细胞病变状态空间本征散射反演规律”这一关键科学问题，提出层析核膜结构与图像技术亚结构补充的FDTD理论本征散射机理研究思路，揭示细胞病变的空间本征散射机理；通过基于多模态空间散射模式识别的细胞病变反演规律研究，阐明病变状态与本征散射的影响机制，发掘具有统计性、排他性与特异性的散射反演规律；采用单细胞散射反馈与多细胞散射统计的反演验证方案，实现避免细胞姿态等空间差异的高精度反演验证研究。项目直接面向复杂临床细胞，旨在揭示非干预状态下真实细胞的本征散射物理表象，探寻临床细胞的多模态精准反演规律。研究成果在早期预测人体健康状况、认识疾病发生发展过程、阐明生命活动基本规律等方面具有重要的理论研究意义与临床应用价值。

项目完成了非干预式免标记血细胞空间本征散射早期病变诊断反演规律研究。首先，针对临床细胞复杂结构的FDTD理论空间本征散射机理研究，提出了适用于两种不同研究方式的细胞结构建模方法；实现了一种基于形态约束和面积约束的共聚焦层析数字重构方法；明确病变细胞各项异性结构的光学参数差异；研究针对非规则细胞结构模型的FDTD 理论空间散射多模态特征(如光强、相位)算法；实现了针对临床细胞复杂结构的空间三维形态的数字化建模，以及基于各项异性光学参数差异的空间本征散射光学建模方法。其次，针对基于多种识别技术的空间本征散射反演规律研究，分别采用角度光谱计算分析法和模式识别技术两类识别技术，研究细胞空间本征散射的反演规律。在角度光谱计算分析法中，通过对样本光谱均值、光谱面积、光谱极值的比对，分析正常患者和急性淋巴白血病患者的本征散射光谱的特异性差异，确定了空间散射反演的最佳敏感平面和对应的本征散射反演规律；在模式识别技术中，分别通过单神经元网络，散射特征主成分分析变换(Principal Components Analysis, PCA)，多维分类方法组合分析，线性分类分析(Linear Discriminant Analysis, LDA)，聚类分析方法等，确定成熟与幼稚临床淋巴细胞的统计性散射反演规律，并对各类模式识别方法的适用特点和反演精度进行了对比和分析。最后，针对免标记高通量单细胞本征散射反演实验研究与系统开发，设计并实现了基于光波导技术的微流控高通量单细胞本征散射反演的实验平台，对光波导微流控芯片的光学性能和流体聚焦性能进行了测试；同时，基于LabVIEW软件平台开发了光波导微流控细胞散射与采集软件系统；在软件和硬件实验开发平台的基础上，经过采用标准颗粒实验和细胞实验验证了细胞粒径与散射的反演规律。本项目执行的三年中，先后在国内外期刊及会议上发表论文7篇，其中SCI源刊4篇，项目研究人员先后参加国内外学术会议4次，申报国家发明专利1项（已受理），项目开展期间共培养研究生7名，其中已毕业4名，留学生1名 。