Page 112 - 《应用声学》2020年第5期

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0 引言 1 分析方法

1.1 方法介绍
光声检测作为一种高分辨率无标签的光学成
像技术，结合了光学成像的高对比度和声学成像的 为了能够在两个细胞的光声信号相互影响的
深度，可实现对处于自然状态的生物粒子形态进行 条件下，通过调节细胞间的距离，获得相互干扰最小
无损伤测量，近年来发展迅速。光声成像的本质是 的光声信号，本文对单细胞和不同距离的双细胞进
光声效应，脉冲激光照射生物颗粒，生物颗粒由于吸 行有限元分析，研究建立了单细胞信号模型和不同
收光能而温度升高，体积发生膨胀和缩小，产生声 距离的双细胞信号模型。在理论模型中，一个红细
波，通过分析声波，得到生物粒子的相关信息，细胞 胞位于球形水环境的中心，称其为主体红细胞，另一
的频域声压级曲线可用于评估细胞大小和形态等 个相同细胞位于其正上方，以400 MHz 的频率计算
特征，作为疾病早期诊断的一种有前景的手段。红 单位波长，按照波长的倍数设置上方红细胞与主体
细胞 (Erythrocyte/red blood cell, RBC) 中的血红 红细胞的距离，得到了不同距离下主体红细胞不同
蛋白，凭借较高的光吸收系数，成为体内光声成像的 角度的频域声压级曲线。另外，通过单细胞信号模
理想内源性造影剂 [1] 。根据红细胞的频域声压级曲 型，计算出了没有上方红细胞干扰时，单个红细胞不
线可以得到红细胞的尺寸和形态等信息。细胞的形 同角度的频域声压级曲线。
判断曲线相似性的方法主要有特征值法和相
状和功能之间有着密切的关系，因而细胞和细胞器
似性函数定义法。特征值法是对曲线特征参数进行
形态的光声测量，为了解细胞功能和疾病诊断提供
比较来度量两个曲线的相似性，而相似性函数定义
重要的信息。
法是比较两个曲线之间的距离来度量两个曲线的
文献 [2] 通过单细胞的频域声压级曲线，可以
相似性，相似性函数定义法在比较两条曲线形状的
实现对单个红细胞的大小和形态的检测，对正常
相似性上优于特征值法。不同距离下红细胞的频域
细胞与异形细胞进行定性鉴别。文献 [3] 研究了
声压级曲线振幅相差不大，差异主要体现在曲线的
红细胞聚集体，用光声信号的参数评估人体血液
斜率上，于是本文选择了基于形状判断曲线相似性
中红细胞的聚集水平。然而，前者研究的对象是
的离散 frechet 距离的方法。基于离散 frechet 距离
单个细胞，后者的研究对象是细胞聚集体，讨论
的方法，以 45 位置为例，通过 frechet 数值度量细
◦
的内容是光声信号与细胞聚集程度的关系，并没
胞频域声压级曲线的相似性，且假设 frechet数值越
有关注细胞间光声信号的相互影响。所以，一个
小，相似性越高 [4] 。结果表明，frechet 数值最小的
细胞对另一个细胞在不同距离下的影响还没有
曲线与观察得到的最相似的曲线是同一条曲线，即
被关注。
frechet 数值可以很好地度量频域声压级曲线的相
人体内正常红细胞的存在状态是游离的单个
似性。
细胞，但细胞之间距离较近，信号会相互影响和干
扰，且细胞间的距离是随机的。在一项研究中 [2] ， 1.2 参数设置
提出了一种光声快速定量单个红细胞形态变化的 本文利用 COMSOL Multiphysics 实现了细胞
方法，此方法比电阻抗和光散射方法更准确，比 的有限元分析，以检测两个红细胞在不同距离下的
血液涂片和光学干涉方法更快速简便。这项研究 光声信号。研究建立了二维轴对称模型，相比于三
表明，不同大小、形状、取向和成分的红细胞，在 维模型，二维模型的计算量更小，且能产生有效的结
100 MHz 以上的光声光谱中观察到独特的周期性 果 [5−7] 。利用基本图形的组合和分割，得到了双凹
变化的最小值和最大值，但是研究只提及光声成 形红细胞几何模型。同时，添加了压力声学瞬态物
像在测量大量样本上的潜力，并没有进一步分析 理场，建立了全局笛卡尔坐标系。
多细胞条件下的单细胞检测情况。本文的目的是 正常红细胞的形状是双凹形的圆饼状，中间两
补充和拓展单细胞光声检测的内容，讨论距离对 面微凹，边缘较厚。红细胞平均直径约为7.8 µm，高
3
细胞光声信号的影响，找到细胞间相互影响最小的 为 1∼2 µm，体积为 94 µm 。本文的理论模型是由
距离。 Evans 等 [8] 开发的模型 (双凹形细胞位于 10 µm 半