RESEARCH ARTICLE

Analysis of erythrocyte deformation characteristics based on dual-angle Mueller matrix measurement    

Shuan Yao, Caizhong Guan, Nan Zeng, Honghui He

2025, 18(4): 23.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00166-2

Abstract：Red blood cells (RBCs) are vital components of human blood, and their morphological abnormalities serve as reliable indicators of various disease pathophysiologies. As a novel label-free optical technique, Mueller matrix (MM) polarimetry is gaining recognition for its value in disease diagnosis and pathological analysis. In this study, we integrate a dual-angle MM measurement system with single-cell polarized light scattering modeling to establish specific polarization feature parameters (PFPs) characterizing cellular microphysical properties. The PFPs quantitatively describe morphological and optical changes in individual RBCs undergoing complex deformations. Experimental results demonstrate that PFPs can effectively distinguish differences in size, shape, refractive index, and surface spicules between deformed and normal RBCs. Moreover, by incorporating PFPs into a Random Forest classifier, we accurately quantify the proportion of abnormal RBCs in mixed suspensions. This study confirms the capability of polarization measurement for label-free, high-throughput analysis of RBC microphysical properties at the single-cell level.

研究背景

红细胞（RBC）形态异常是多种疾病（如糖尿病、疟疾、遗传性血液病等）的重要病理指标。现有检测方法（如光学显微镜、电子显微镜等）存在操作主观、通量低、需标记或成本高等局限。穆勒矩阵（MM）偏振测量作为一种新兴的无标记光学技术，在疾病诊断中展现出潜力，但此前研究多集中于细胞群体水平，对单细胞微观物理特性的分析不足。

主要内容

本研究开发了一种结合双角度穆勒矩阵偏振计（DMMP）与单细胞偏振光散射模拟的方法，旨在从单个红细胞的偏振信号中提取具有明确物理意义的偏振特征参数（PFPs），以定量表征其因复杂变形（如球形化、扁平化、棘状化）引起的形态与光学特性（尺寸、形状、折射率、表面棘突）变化，并实现混合红细胞悬液中异常细胞的精准比例分析。

创新点

• 首次将双角度穆勒矩阵偏振测量系统与离散偶极子近似（DDA）模拟相结合，实现了对单个红细胞微观物理特性的无标记、高通量分析。

• 从穆勒矩阵中提取出六个具有明确物理解释的PFPs（如形状参数K₁、K₂，尺寸参数T₁₂₀，折射率参数T₆₀，表面棘突参数LE₁₂₀等），能直观关联特定变形特征，优于直接使用复杂且物理意义不直观的全穆勒矩阵。

• 通过模拟与多种受控应力实验（渗透、氧化、酸碱应激）系统验证了PFPs对红细胞变形的表征能力，并成功将其与随机森林（RF）分类器结合，用于量化混合样本中的异常细胞比例。

方法

• 实验系统：搭建DMMP系统，可在60°（前向）和120°（后向）两个散射角同步测量单个红细胞的穆勒矩阵。

• 样本制备：对小鼠红细胞施加渗透、氧化（H₂O₂）和酸碱（pH 6.8/8.0）应激，以诱导三种典型变形（球形、扁平、棘状）。

• 理论模拟：采用DDA方法，通过调整等效直径、折射率、凹度、球形度和表面棘突等参数，模拟不同变形模式下红细胞的偏振散射响应。

• 数据分析：从实测穆勒矩阵中提取PFPs；使用随机森林分类器，以PFPs或全MM元素作为特征，训练模型并预测混合悬液中正常与异常红细胞的比例。

主要结果

• 模拟结果：识别出对红细胞尺寸、折射率、形状和表面棘突变化敏感的特定穆勒矩阵元素，为PFPs的构建提供了理论基础。

• 实验验证：PFPs在三种应激实验中均表现出显著差异（p < 0.001），能有效区分变形与正常红细胞，其结果与光学显微镜观察及已有研究一致。

• 数据分析：基于PFPs的随机森林分类器在预测混合悬液中异常细胞比例时，取得了与基于全MM模型相近的高精度，最大绝对误差（AE）仅为6.1%（全MM模型为5.2%），同时PFPs提供了更清晰的物理解释性。

总结

本研究证实了双角度穆勒矩阵偏振测量结合PFPs分析方法，能够实现单红细胞水平的、无标记且高通量的形态与微物理特性分析，为血液疾病筛查与病理研究提供了一种强有力的新工具。

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