在生物医学工程与临床学领域,对细胞形态和内部结构的识别,可有效用于对多种疾病的预判、诊断和疗效。生物细胞在高度相干光源照射下,可视为电磁波刺激下形成的电偶极子阵列。由于细胞内光学参量分布的不均匀性,光散射成为光在其中传播的主要形式。这种散射光的空间分布由偶极子阵列产生的相干散射光叠加而成,与细胞整体形状及内部结构的改变高度相关,因此蕴含丰富的细胞形态和结构信息,可广泛应用于对细胞健康状况及癌变的研究。本文针对传统流式细胞仪和荧光显微成像流式细胞仪等在细胞功能检测中无法提取细胞三维信息、需要进行荧光染色、无法自动快速测量等缺陷,选用相干光激励单细胞,采集散射光形成的正交偏振衍射图像(p-DI)对,研究了细胞形态和折射率分布对p-DI对的影响,探究了细胞三维结构与p-DI对特征的关联。在完成理论建模和仿真的同时,搭建了细胞偏振衍射实验平台,以真实人体前列腺癌细胞和正常细胞为样品,在较大散射角范围内,实现了癌细胞与正常细胞的识别。主要研究内容包括以下几个方面:第一,完善了细胞共聚焦图像的三维重建和结构分析,从细胞中分割出了细胞核、细胞质和线粒体等细胞器。第二,改善了光学细胞模型,将细胞整体结构分割为多个单元,并将每个单元赋予相应的折射率。第三,依据离散偶极子理论,在Linux环境下,编写了代表不同细胞形态和内部结构的通用程序,对不同散射光谱的成因进行了解释。第四,探讨了细胞衍射成像(DI)的模拟方法,得出了不同细胞、不同细胞方位和折射率分布等情形下的衍射图像。第五,采用灰度共生矩阵(GLCM)算法对测量和计算的衍射图像纹理进行量化;通过构建不同细胞结构的多种细胞光学模型,分析了从细胞衍射图中提取的GLCM参数对细胞形态和折射率分布的依赖关系;通过对p-DI数据的定量比较,证明了通过单衍射成像技术可精确、快速和无标签检测细胞,并提出了后续研究的可行性内容。