偏振散射组织表征方法及其在恶性肿瘤诊断中的应用

This project focuses on the application of rotating linear polarization imaging in tumor diagnosis. The research work starts with how the structural characteristics of organelles, such as size, density, arrangement, birefringence and so on, can affect the transmission and scattering process of polarized light in tissues. Compared with the results from polarization sensitive optical coherence tomography and Muller matrix measurement, we will analyze and explain the differece between the benign and malignant tumor based on polarization features, establish optical models of several cancer tissues, and extract polarization parameters to recognize the cancerous area with high contrast. Using tissue phantom and Monte Carlo simulation method, we also will study the inverse problem of tissue characterization according to polarization measurement and then apply it in diagnosis. The project will be significant for the development of polarization imaging methods and tumor optical diagnosis.

本项目致力于发展旋转线偏振成像方法在恶性肿瘤中的诊断应用，工作从研究组织中细胞器官尺寸、密度、排列方式等结构特征和双折射、二色性等光学特征在偏振光传输与散射中的影响出发，对照偏振敏感相干层析技术和穆勒矩阵测量技术,对健康和早中期癌变组织在偏振光学检测上的差异进行分析和解释，建立不同类型癌组织的光学模型，提取能够高对比度划分癌变手术区域的偏振检测参数，并结合新型生物组织仿体和蒙特卡罗模拟方法，探讨基于偏振检测参数组的组织病变特征的反演算法并用于诊断评估。该项工作将对偏振光散射与成像具有基础研究意义，能够为恶性肿瘤的诊断与成像形成新方法。

本项目致力于发展偏振成像方法在恶性肿瘤中的诊断应用，工作从研究组织中细胞器官尺寸、密度、排列方式等结构特征和双折射、二色性等光学特征在偏振光传输与散射中的影响出发，对照穆勒矩阵分解和变换技术,对癌变组织在偏振光学检测上的差异进行分析和解释，建立不同类型癌组织的光学模型，提取能够高对比度划分癌变区域的偏振检测参数，并结合新型生物组织仿体和蒙特卡罗模拟方法，探讨基于偏振检测参数组的组织病变特征的表征规律并用于诊断评估。. 研究内容包括三部分: 首先，在组织光学建模和仿体制备体系上，课题组在组织模型中引入了多组分多性状的球单元，以及多取向的柱单元，并对组织对应的分层现象、吸收现象、分子极性引起的双折射和旋光现象进行了模拟设定。研究进一步开展了偏振成像快速斯托克斯测量的研究工作，提出了一种新的基于自聚焦透镜空间调制型检偏设计方案和新的基于四象限同步测量的偏振斯托克斯检测方法。. 随后，在不同偏振成像方式实验和组织表征规律上，课题组借助穆勒矩阵分解方法（MMD），重点从退偏和相位延迟中提取了组织模型中微结构尺寸、形态、浓度以及分布规律对应的偏振变化规律。同时从仿体样本的穆勒矩阵元随取向的变化规律出发，提取其中取向无关的固有矩阵属性，基于组织微观结构的几个关键因素：细胞器尺寸/形态/取向等，发展出一套新的矩阵元数据提取和表征方法——MMT，即穆勒矩阵变换技术，该技术可视为对本项目初始方案——旋转线偏振成像技术的扩展和提升。课题组同时分析了组织各项异性中纤维状微观结构的取向对成像结果的影响，还针对线偏振成像与全偏振成像的差异，从矩阵分解的角度，将线偏振矩阵分解的表征能力和定量差异进行了组织不同微观结构和不同光学效应上的比较。. 最后，在真实组织样本和活体动物的癌症诊断上，课题组通过和南山医院病理科联系，对皮肤基底细胞癌、乳腺癌和宫颈癌样本进行了偏振成像实验，初步的实验结果表明，基底细胞癌中线粒体等细胞器增生现象会对偏振退偏参数产生明显减小影响，因此通过识别退偏效应可以区分正常部位和癌变部位；乳腺组织与基底细胞癌组织相似，各向异性度较低，癌变主要影响偏振退偏过程；宫颈腺癌样本存在纤维状有序排列被破坏的现象，因因此各向异性结构引起的偏振表征可能适合描述这一类型的癌变