趙榮榮 楊 鵬 韓建寧

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 太原 030051)

0 引言

光聲檢測(cè)作為一種高分辨率無(wú)標(biāo)簽的光學(xué)成像技術(shù)，結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和聲學(xué)成像的深度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)處于自然狀態(tài)的生物粒子形態(tài)進(jìn)行無(wú)損傷測(cè)量，近年來(lái)發(fā)展迅速。光聲成像的本質(zhì)是光聲效應(yīng)，脈沖激光照射生物顆粒，生物顆粒由于吸收光能而溫度升高，體積發(fā)生膨脹和縮小，產(chǎn)生聲波，通過(guò)分析聲波，得到生物粒子的相關(guān)信息，細(xì)胞的頻域聲壓級(jí)曲線可用于評(píng)估細(xì)胞大小和形態(tài)等特征，作為疾病早期診斷的一種有前景的手段。紅細(xì)胞(Erythrocyte/red blood cell,RBC)中的血紅蛋白，憑借較高的光吸收系數(shù)，成為體內(nèi)光聲成像的理想內(nèi)源性造影劑[1]。根據(jù)紅細(xì)胞的頻域聲壓級(jí)曲線可以得到紅細(xì)胞的尺寸和形態(tài)等信息。細(xì)胞的形狀和功能之間有著密切的關(guān)系，因而細(xì)胞和細(xì)胞器形態(tài)的光聲測(cè)量，為了解細(xì)胞功能和疾病診斷提供重要的信息。

文獻(xiàn)[2]通過(guò)單細(xì)胞的頻域聲壓級(jí)曲線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)紅細(xì)胞的大小和形態(tài)的檢測(cè)，對(duì)正常細(xì)胞與異形細(xì)胞進(jìn)行定性鑒別。文獻(xiàn)[3]研究了紅細(xì)胞聚集體，用光聲信號(hào)的參數(shù)評(píng)估人體血液中紅細(xì)胞的聚集水平。然而，前者研究的對(duì)象是單個(gè)細(xì)胞，后者的研究對(duì)象是細(xì)胞聚集體，討論的內(nèi)容是光聲信號(hào)與細(xì)胞聚集程度的關(guān)系，并沒(méi)有關(guān)注細(xì)胞間光聲信號(hào)的相互影響。所以，一個(gè)細(xì)胞對(duì)另一個(gè)細(xì)胞在不同距離下的影響還沒(méi)有被關(guān)注。

人體內(nèi)正常紅細(xì)胞的存在狀態(tài)是游離的單個(gè)細(xì)胞，但細(xì)胞之間距離較近，信號(hào)會(huì)相互影響和干擾，且細(xì)胞間的距離是隨機(jī)的。在一項(xiàng)研究中[2]，提出了一種光聲快速定量單個(gè)紅細(xì)胞形態(tài)變化的方法，此方法比電阻抗和光散射方法更準(zhǔn)確，比血液涂片和光學(xué)干涉方法更快速簡(jiǎn)便。這項(xiàng)研究表明，不同大小、形狀、取向和成分的紅細(xì)胞，在100 MHz 以上的光聲光譜中觀察到獨(dú)特的周期性變化的最小值和最大值，但是研究只提及光聲成像在測(cè)量大量樣本上的潛力，并沒(méi)有進(jìn)一步分析多細(xì)胞條件下的單細(xì)胞檢測(cè)情況。本文的目的是補(bǔ)充和拓展單細(xì)胞光聲檢測(cè)的內(nèi)容，討論距離對(duì)細(xì)胞光聲信號(hào)的影響，找到細(xì)胞間相互影響最小的距離。

1 分析方法

1.1 方法介紹

為了能夠在兩個(gè)細(xì)胞的光聲信號(hào)相互影響的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞間的距離，獲得相互干擾最小的光聲信號(hào)，本文對(duì)單細(xì)胞和不同距離的雙細(xì)胞進(jìn)行有限元分析，研究建立了單細(xì)胞信號(hào)模型和不同距離的雙細(xì)胞信號(hào)模型。在理論模型中，一個(gè)紅細(xì)胞位于球形水環(huán)境的中心，稱其為主體紅細(xì)胞，另一個(gè)相同細(xì)胞位于其正上方，以400 MHz 的頻率計(jì)算單位波長(zhǎng)，按照波長(zhǎng)的倍數(shù)設(shè)置上方紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞的距離，得到了不同距離下主體紅細(xì)胞不同角度的頻域聲壓級(jí)曲線。另外，通過(guò)單細(xì)胞信號(hào)模型，計(jì)算出了沒(méi)有上方紅細(xì)胞干擾時(shí)，單個(gè)紅細(xì)胞不同角度的頻域聲壓級(jí)曲線。

判斷曲線相似性的方法主要有特征值法和相似性函數(shù)定義法。特征值法是對(duì)曲線特征參數(shù)進(jìn)行比較來(lái)度量?jī)蓚€(gè)曲線的相似性，而相似性函數(shù)定義法是比較兩個(gè)曲線之間的距離來(lái)度量?jī)蓚€(gè)曲線的相似性，相似性函數(shù)定義法在比較兩條曲線形狀的相似性上優(yōu)于特征值法。不同距離下紅細(xì)胞的頻域聲壓級(jí)曲線振幅相差不大，差異主要體現(xiàn)在曲線的斜率上，于是本文選擇了基于形狀判斷曲線相似性的離散frechet 距離的方法。基于離散frechet 距離的方法，以45?位置為例，通過(guò)frechet 數(shù)值度量細(xì)胞頻域聲壓級(jí)曲線的相似性，且假設(shè)frechet數(shù)值越小，相似性越高[4]。結(jié)果表明，frechet 數(shù)值最小的曲線與觀察得到的最相似的曲線是同一條曲線，即frechet 數(shù)值可以很好地度量頻域聲壓級(jí)曲線的相似性。

1.2 參數(shù)設(shè)置

本文利用COMSOL Multiphysics 實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的有限元分析，以檢測(cè)兩個(gè)紅細(xì)胞在不同距離下的光聲信號(hào)。研究建立了二維軸對(duì)稱模型，相比于三維模型，二維模型的計(jì)算量更小，且能產(chǎn)生有效的結(jié)果[5?7]。利用基本圖形的組合和分割，得到了雙凹形紅細(xì)胞幾何模型。同時(shí)，添加了壓力聲學(xué)瞬態(tài)物理場(chǎng)，建立了全局笛卡爾坐標(biāo)系。

正常紅細(xì)胞的形狀是雙凹形的圓餅狀，中間兩面微凹，邊緣較厚。紅細(xì)胞平均直徑約為7.8 μm，高為1～2 μm，體積為94 μm3。本文的理論模型是由Evans 等[8]開(kāi)發(fā)的模型(雙凹形細(xì)胞位于10 μm 半徑球形系統(tǒng))擴(kuò)展得到。根據(jù)紅細(xì)胞的幾何物理參數(shù)，確定了紅細(xì)胞模型的幾何形狀，模型中的紅細(xì)胞直徑確定為7.82 μm，雙凹形細(xì)胞處于圓形的水環(huán)境中。為了進(jìn)行有限元分析，將細(xì)胞模型的幾何形狀劃分成自由剖分三角形網(wǎng)格，采用網(wǎng)格尺寸為標(biāo)準(zhǔn)。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

在以往的研究中，已經(jīng)找到了紅細(xì)胞的最佳光吸收的激光束的波長(zhǎng)，在血液樣本中，紅細(xì)胞可以被看作是入射光的主要吸收體和光聲信號(hào)的主要輻射源[9]。因此，本研究將細(xì)胞和水環(huán)境設(shè)置為理想狀態(tài)，只將紅細(xì)胞作為入射光輻射的吸收體和光聲信號(hào)輻射源，忽略外圍水對(duì)入射光的吸收和光聲信號(hào)的對(duì)外輻射，且紅細(xì)胞均勻吸收激光。激光束照射之前，細(xì)胞的初始?jí)毫χ禐? Pa，水的初始?jí)毫χ禐? Pa，激光束照射之后，細(xì)胞的初始?jí)毫χ禐? Pa，水的初始?jí)毫χ禐? Pa。紅細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)量密度和聲速分別為1110 kg/m3和1650 m/s，與先前研究中測(cè)量的數(shù)據(jù)一致[10?11]。細(xì)胞外圍水環(huán)境的質(zhì)量密度和聲速分別為1000 kg/m3和1520 m/s。模型參數(shù)設(shè)置如表1 所示。時(shí)域的檢測(cè)范圍是0～10 ns，頻域的檢測(cè)范圍是0～1000 MHz，數(shù)據(jù)由COMSOL Multiphysics生成，數(shù)據(jù)的后處理由MATLAB R2014a完成。

1.3 單個(gè)紅細(xì)胞模型

在二維仿真模型中，以(0,0)點(diǎn)為圓心，以90 μm 為半徑，建立了水環(huán)境，紅細(xì)胞處于水環(huán)境中。如圖1(a)所示，雙凹形紅細(xì)胞處于圓形水環(huán)境的中心，在細(xì)胞的一側(cè)設(shè)置探測(cè)點(diǎn)。細(xì)胞模擬圖是細(xì)胞的側(cè)視圖，在側(cè)視圖中，建立直角坐標(biāo)系，設(shè)置水平的X軸和垂直的Y軸，X軸是細(xì)胞長(zhǎng)直徑的方向，Y軸是細(xì)胞的厚度方向，且紅細(xì)胞的中心與圓形水環(huán)境的中心相互重合，x軸和y軸是主體紅細(xì)胞的對(duì)稱軸。紅細(xì)胞的尺寸和取向是影響單個(gè)紅細(xì)胞的光譜特征的因素，于是，選擇直徑為7.82 μm的雙凹形紅細(xì)胞平置于圓形水環(huán)境的中心。

圖1(b)是水環(huán)境中的細(xì)胞部分放大圖，以細(xì)胞中心為圓心，建立極坐標(biāo)系，以10 μm 為半徑，以?75?～75?為范圍，每隔15?布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)紅細(xì)胞的頻域聲壓級(jí)曲線。聲壓是大氣壓受到聲波擾動(dòng)后產(chǎn)生的變化，在大氣壓強(qiáng)上的疊加一個(gè)聲波擾動(dòng)引起的壓強(qiáng)變化，通過(guò)聲壓可以描述光聲信號(hào)的傳播情況。聲壓級(jí)定義為被測(cè)光聲信號(hào)的聲壓與基準(zhǔn)參考聲壓之比取以10為底的對(duì)數(shù)再乘以20，單位是分貝(dB)。

圖1 單細(xì)胞二維模型Fig.1 Single cell two-dimensional model

圖2 分別是單個(gè)細(xì)胞0?～75?、?15?～?75?的時(shí)域聲壓分布，通過(guò)觀察，由于曲線間重疊嚴(yán)重，很難得到曲線的相關(guān)規(guī)律，也難以得到細(xì)胞的形態(tài)特征。但是細(xì)胞的頻域聲壓級(jí)分布通過(guò)周期性變化的極大值和極小值來(lái)反映細(xì)胞的形態(tài)特征[12]。于是，對(duì)不同角度采集到的時(shí)域聲壓信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻域聲壓級(jí)分布[13]。

圖3 分別是單個(gè)紅細(xì)胞0?～75?、?15?～?75?的頻域聲壓級(jí)分布。探測(cè)點(diǎn)的角度不同，檢測(cè)到的頻域聲壓級(jí)曲線有著明顯的不同。觀察圖3(a)和圖3(b)，對(duì)比曲線15?與?15?、30?與?30?、45?與?45?、60?與?60?、75?與?75?，發(fā)現(xiàn)它們有著較高的相似度，這是因?yàn)閱蝹€(gè)紅細(xì)胞的形狀關(guān)于x軸對(duì)稱。但是，完全重合的部分大約是在0～500 MHz，超出500 MHz的范圍出現(xiàn)一些差異，這是由于聲波的散射。聲波的頻率越高，波長(zhǎng)越短，個(gè)別分子或原子的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響聲波，且頻率越高，散射越強(qiáng)，導(dǎo)致在較高頻率時(shí)，對(duì)稱探測(cè)位置的仿真曲線不重合。

這里只分析從0?～75?的頻域聲壓級(jí)曲線分布情況。在0?方向，大約從200 MHz開(kāi)始，出現(xiàn)周期性變化的最小值和最大值。在75?方向，整個(gè)頻譜只在800 MHz 左右出現(xiàn)了最小值。在15?、30?、45?、60?方向，大約分別從220 MHz、250 MHz、350 MHz、450 MHz開(kāi)始，出現(xiàn)周期性變化的最小值和最大值。可以發(fā)現(xiàn)，從0?～75?，開(kāi)始出現(xiàn)最小值的位置在x軸上不斷后移，在200 MHz～800 MHz 之間依次分布，且每條曲線的最小值之間的距離在不斷增大。在單個(gè)細(xì)胞的光聲頻譜中，0?位置可以觀察到最多的最小值點(diǎn)，75?位置觀察到最少的最小值點(diǎn)。同時(shí)，在這些曲線的第一個(gè)最小值(200 MHz)出現(xiàn)前，從0?～75?，曲線的振幅在不斷地增大。

圖2 單個(gè)紅細(xì)胞時(shí)域聲壓分布Fig.2 Time domain sound pressure distribution of a single RBC

圖3 單個(gè)紅細(xì)胞頻域聲壓級(jí)分布Fig.3 Sound pressure level distribution in frequency domain of a single RBC

1.4 不同距離的兩個(gè)紅細(xì)胞模型

在單個(gè)紅細(xì)胞模型的基礎(chǔ)上，以中心的紅細(xì)胞為主體紅細(xì)胞，添加另一個(gè)紅細(xì)胞。在本研究中，為了使細(xì)胞間的距離作為影響主體紅細(xì)胞光聲特征的唯一因素，需要將主體紅細(xì)胞的尺寸及取向和另一個(gè)紅細(xì)胞設(shè)置為相同狀態(tài)。主體紅細(xì)胞處于圓形水環(huán)境的圓心。另一個(gè)紅細(xì)胞處于主體紅細(xì)胞上方正對(duì)位置，其中心在y軸上。主體紅細(xì)胞在水環(huán)境中的位置固定，通過(guò)控制另一個(gè)細(xì)胞在y軸上位置，調(diào)節(jié)兩個(gè)細(xì)胞之間的距離，且兩個(gè)細(xì)胞的距離是兩個(gè)細(xì)胞中心之間的距離。如圖4(a)所示，是處于圓形水環(huán)境中兩個(gè)細(xì)胞距離為19 μm時(shí)的二維模型圖。

利用波的干涉原理，即兩個(gè)相同的波源，它們的兩列波疊加，在傳播區(qū)域會(huì)形成穩(wěn)定的加強(qiáng)區(qū)和穩(wěn)定的減弱區(qū)，加強(qiáng)區(qū)與減弱區(qū)相間分布，以此來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)細(xì)胞之間的距離，使探測(cè)點(diǎn)的位置盡可能多地設(shè)置在加強(qiáng)區(qū)，使探測(cè)的光聲信號(hào)干擾最小。觀察圖3(a)和圖3(b) 可以發(fā)現(xiàn)，單個(gè)紅細(xì)胞的光聲頻譜在頻率是400 MHz 時(shí)，幾乎各個(gè)角度光譜振幅處于最大值或者最大值的附近，同時(shí)也表明，紅細(xì)胞的光聲頻譜信息在400 MHz 時(shí)最為豐富。細(xì)胞的光聲信號(hào)在37?C 水中傳播，水在37?C 的聲速是1520 m/s，根據(jù)頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系可知，400 MHz 的波長(zhǎng)為3.8 μm。以3.8 μm 為單位，設(shè)置11組不同距離，分別是2.85μm(3/4波長(zhǎng))、3.8 μm、7.6 μm、11.4 μm、15.2 μm、19μm、22.8 μm、26.6 μm、30.4 μm、34.2 μm、38 μm。同樣，與單個(gè)紅細(xì)胞探測(cè)點(diǎn)的設(shè)置相同，以10 μm 為半徑，以?75?～75?為范圍，每隔15?布置一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，如圖4(b)所示，描述了兩個(gè)細(xì)胞在距離為19 μm 時(shí)的相關(guān)設(shè)置。這樣，可以得到主體紅細(xì)胞在與另一個(gè)紅細(xì)胞不同距離時(shí)，各個(gè)角度的探測(cè)點(diǎn)的光聲信號(hào)。

圖4 雙細(xì)胞二維模型Fig.4 Two-cell two-dimensional model

2 分析結(jié)果

以主體紅細(xì)胞45?位置探測(cè)點(diǎn)的頻域聲壓級(jí)曲線為例，演示了在11 個(gè)不同的距離下，尋找與單個(gè)紅細(xì)胞最相似的曲線的過(guò)程，并進(jìn)行了效果對(duì)比。圖5(a)是主體紅細(xì)胞在45?位置下，距離為3/4λ ～4λ的頻域聲壓級(jí)曲線，將單個(gè)主體紅細(xì)胞與6 個(gè)不同距離下的頻域聲壓級(jí)曲線進(jìn)行對(duì)比。圖5(b)是主體紅細(xì)胞在45?位置下，距離為5λ ～10λ的頻域聲壓級(jí)曲線，將單個(gè)主體紅細(xì)胞與5 個(gè)不同距離下的頻域聲壓級(jí)曲線進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，圖5(b)中有更多的曲線與紅色的單細(xì)胞曲線相似與重合，說(shuō)明細(xì)胞間相互影響最小的距離，分布在5λ～10λ的可能性更高。

進(jìn)行頻域聲壓級(jí)曲線的定量分析時(shí)，主要尺度是曲線的振幅和斜率。根據(jù)圖5(a)和圖5(b) 可得，在26.6 μm距離下的曲線與單個(gè)紅細(xì)胞的曲線相似度最高，不論是振幅還是斜率都有著極高的相似度，兩個(gè)曲線幾乎重合，如圖6(a)所示，是主體紅細(xì)胞在45?位置下，距離為26.6 μm 的曲線與單個(gè)紅細(xì)胞45?位置的曲線進(jìn)行比較的結(jié)果。

圖5 45?位置不同距離與單細(xì)胞比較Fig.5 The different distances and at 45?position compared with single cells

圖6 45?位置最佳相似比較結(jié)果Fig.6 The best similarity comparison results of 45?position

圖6(b)是主體紅細(xì)胞在45?位置時(shí)，不同距離下的頻域聲壓級(jí)曲線與單個(gè)紅細(xì)胞的曲線進(jìn)行比較，得到的frechet 數(shù)值。此時(shí)，假設(shè)frechet 數(shù)值越小，相似度越高，通過(guò)觀察單個(gè)紅細(xì)胞在45?時(shí)的曲線與不同距離下主體紅細(xì)胞45?位置的曲線的相似程度，判斷假設(shè)是否正確。由圖6(b)可得，在26.6 μm 的距離下，frechet 數(shù)值最小。結(jié)果表明，frechet 數(shù)值最小的距離正是曲線相似度最高的距離，frechet數(shù)值可以很好地度量光聲曲線的相似度。

圖7 是主體紅細(xì)胞分別在0?、15?、30?、60?、75?位置時(shí)的最佳相似對(duì)比的結(jié)果。主體紅細(xì)胞的5 個(gè)位置執(zhí)行與上述45?位置相同的操作，即每個(gè)位置，將主體紅細(xì)胞11 個(gè)不同距離的頻域聲壓級(jí)曲線與單個(gè)紅細(xì)胞同位置的頻域聲壓級(jí)曲線對(duì)比，計(jì)算出11 個(gè)距離中frechet 數(shù)值最小的曲線，以曲線圖的方式呈現(xiàn)單個(gè)紅細(xì)胞同位置的頻域聲壓級(jí)曲線與frechet數(shù)值最小的曲線對(duì)比的結(jié)果。

圖7(a)是0?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞34.2 μm 距離的對(duì)比結(jié)果；圖7(b) 是15?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞30.4 μm 距離的對(duì)比結(jié)果；圖7(c)是30?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞26.6μm距離的對(duì)比結(jié)果；圖7(d)是60?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞19 μm 距離的對(duì)比結(jié)果；圖7(e)是75?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞26.6 μm 距離的對(duì)比結(jié)果。除60?位置外，其他4 個(gè)位置曲線的重合度較高。

圖8 是主體紅細(xì)胞分別在?15?、?30?、?45?、?60?、?75?位置時(shí)的最佳相似對(duì)比的結(jié)果。主體紅細(xì)胞的5 個(gè)位置執(zhí)行與上述45?位置相同的操作，即每個(gè)位置，將主體紅細(xì)胞11 個(gè)不同距離的頻域聲壓級(jí)曲線與單個(gè)紅細(xì)胞同位置的頻域聲壓級(jí)曲線對(duì)比，計(jì)算出11 個(gè)距離中frechet 數(shù)值最小的曲線，以曲線圖的方式呈現(xiàn)單個(gè)紅細(xì)胞同位置的頻域聲壓級(jí)曲線與frechet 數(shù)值最小的曲線對(duì)比的結(jié)果。圖8(a)是?15?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞30.4 μm 距離的對(duì)比結(jié)果；圖8(b)是?30?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞30.4 μm 距離的對(duì)比結(jié)果；圖8(c)是?45?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞38 μm 距離的對(duì)比結(jié)果；圖8(d)是?60?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞38 μm 距離的對(duì)比結(jié)果；圖8(e)是?75?位置單個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞26.6 μm 距離的對(duì)比結(jié)果。除?60?位置外，其他4個(gè)位置曲線的重合度較高。

在雙細(xì)胞模型中，主體紅細(xì)胞與另一個(gè)相同的細(xì)胞共有11 個(gè)不同的距離，每個(gè)距離下，有11 個(gè)不同角度的探測(cè)位置。將每個(gè)距離下的11 個(gè)角度的頻域聲壓級(jí)曲線設(shè)置為一組，計(jì)算11 個(gè)角度的頻域聲壓級(jí)曲線與同位置單個(gè)紅細(xì)胞頻域聲壓級(jí)曲線的frechet 數(shù)值，求取每組11 個(gè)角度的frechet 數(shù)值的均值。圖9 是主體紅細(xì)胞11 個(gè)距離下frechet數(shù)值的均值，隨著距離的增大，frechet均值整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在26.6μm時(shí)達(dá)到最小值。即隨著距離的增大，主體紅細(xì)胞頻域聲壓級(jí)曲線與單個(gè)紅細(xì)胞同位置頻域聲壓級(jí)曲線的相似度先增大后減小，在26.6 μm 處相似度達(dá)到最高。由此可得，雙細(xì)胞模型中，兩個(gè)細(xì)胞在26.6 μm 時(shí)，光聲信號(hào)相互影響最小，且在30?、45?、75?、?75?位置達(dá)到最佳相似，有較高的相似度。

圖7 0?、15?、30?、60?、75?最佳相似對(duì)比Fig.7 The optimum similarity comparison of 0?,15?,30?,60?and 75?

圖8 ?15?、?30?、?45?、?60?、?75?最佳相似對(duì)比Fig.8 The optimum similarity comparison of ?15?, ?30?, ?45?, ?60?, ?75?

圖9 不同距離下frechet 數(shù)值的均值Fig.9 Mean value of frechet values at different distances

3 結(jié)論與討論

在先前的研究中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光聲快速定量單個(gè)紅細(xì)胞的形態(tài)，但是沒(méi)有進(jìn)一步討論在多細(xì)胞條件下如何檢測(cè)單細(xì)胞的光聲信號(hào)，即沒(méi)有考慮細(xì)胞信號(hào)之間的相互影響。而且，對(duì)光聲譜進(jìn)行定量分析時(shí)，采用的方法是分析光聲譜中某頻率的振幅和某段頻率的斜率，只提取了光聲譜的部分信息，適用于被測(cè)細(xì)胞的形狀有較大差異的情況。為此，本文討論了兩個(gè)紅細(xì)胞在不同距離下光聲信號(hào)之間的影響。對(duì)單個(gè)紅細(xì)胞和不同距離的兩個(gè)紅細(xì)胞進(jìn)行了有限元分析。以圓形水環(huán)境中心的紅細(xì)胞為主體紅細(xì)胞，在主體紅細(xì)胞右側(cè)的不同角度布置探測(cè)點(diǎn)，調(diào)整另一個(gè)紅細(xì)胞與主體紅細(xì)胞的距離，計(jì)算得到主體紅細(xì)胞不同距離不同角度下的頻域聲壓級(jí)曲線。引入frechet 距離來(lái)度量曲線的相似性，分析全部頻率段，量化曲線間的細(xì)微差異，將frechet 距離作為分析光聲曲線有力的工具。利用frechet數(shù)值來(lái)度量?jī)蓷l光聲曲線的相似性，frechet 數(shù)值越小，兩條曲線越相似。其中，計(jì)算細(xì)胞間信號(hào)的相互影響，使用相似性函數(shù)定義法度量光聲曲線的相似性，在以往的研究中還沒(méi)有被討論過(guò)。

當(dāng)主體紅細(xì)胞的檢測(cè)角度一定時(shí)，在不同距離的主體紅細(xì)胞的光聲曲線中，存在frechet 數(shù)值最小的曲線，即這條曲線是此角度下的最佳相似曲線。同樣，觀察可得，當(dāng)兩個(gè)細(xì)胞距離為26.6 μm時(shí)，11 個(gè)角度的frechet 數(shù)值的均值最小，曲線相似度最高。

本文的實(shí)驗(yàn)原理是聲波干涉，這種方法不僅可以應(yīng)用于紅細(xì)胞，幾乎任何含有內(nèi)源性和外源性造影劑的細(xì)胞，都可以通過(guò)此方法找到細(xì)胞間光聲信號(hào)干擾最小的距離。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文研究的背景為體外檢測(cè)，首先討論了兩個(gè)相同紅細(xì)胞之間光聲信號(hào)的相互影響，再次，將研究多個(gè)不同細(xì)胞之間光聲信號(hào)的相互影響，最終實(shí)現(xiàn)體外同時(shí)檢測(cè)多個(gè)不同細(xì)胞的光聲信號(hào)的目標(biāo)，目的是補(bǔ)充和拓展光聲顯微技術(shù)中多細(xì)胞光聲檢測(cè)的內(nèi)容。