与样品取向无关的偏振光散射多波长成像方法及应用研究

Polarization scattering imaging techniques are non-invasive, non-destructive methods, and suitable for the detection of the micro-structure variations of superficial tissues. It is a method of good prospect in early cancer detection. However, the anisotropic structures of tissues have prominent effects on polarization measurements, resulting in a reduction for the accuracy of the polarization detection. In this project we study the relations between the orientations of fibrous structures and different polarization parameters including degree of polarization and rotating linear polarization. Using the backscattering experimental set up, sphere-cylinder scattering model and Monte Carlo simulation, we will extract a group of new orientation independent quantitative polarization parameters. Moreover, some previous works have shown that, polarized light with different wavelengths can be used to detect different micro-structures in cells. In this project, by developing multi-wavelength imaging system, we will study the orientation independent parameters and their relations with different scattering structures and optical properties of carcinoma cells. We will also explore the applications of these multi-wavelength parameters, and develop new imaging techniques for clinical cancer diagnosis.

偏振散射成像方法具有非侵入、无损伤、适于获取浅表组织微观结构信息等优点，是一种有潜力的癌症早期诊断技术。然而生物组织中广泛存在的各向异性纤维状结构会对偏振成像产生复杂作用，影响偏振检测的精确性。本课题计划利用背向散射偏振光成像装置，针对各向异性样品的实际特点，通过前期工作建立的偏振光散射模型与模拟方法、标准样品实验等手段定量研究样品取向以及探测光方向等因素对偏振成像的影响，并将角度影响从现有偏振成像参数中分离，获得优化后的角度无关偏振光成像参数。前期研究结果同时显示，不同波长的偏振光对不同尺度的亚细胞结构变化很敏感，因此本课题将进一步分析多波长照明条件下角度无关参数的变化，并尝试针对实际样品研究参数反映多种癌变特异性微观结构变化的能力。通过本课题研究有望解决部分目前偏振成像应用于生物医学检测存在的实际问题。

偏振散射成像方法具有非侵入、低损伤、适于获取浅表组织微观结构信息等优点，是一种有潜力的癌症早期诊断技术。然而生物组织中广泛存在的各向异性纤维状结构会对偏振成像产生复杂作用，影响偏振检测的准确性。基于此，本项目针对不同类型的生物组织，特别是病理组织进行了背向和透射式穆勒矩阵成像。通过将实验结果与偏振散射模型模拟结果进行对比，我们详细总结了数种癌变组织穆勒矩阵的基本特征。进一步的我们将频率分布直方图表示法与穆勒矩阵变换方法结合，利用该方法分离得到的物理意义较为明确的穆勒矩阵变换定量参数将组织偏振成像结果中纤维的取向影响分离，获得了反映样品本征属性的偏振参量。利用穆勒矩阵二维强度分布图-频率分布直方图-穆勒矩阵变换参数作为一个系统化研究工具，项目组对包括乳腺癌、肝癌、甲状腺癌、宫颈癌在内的多种组织样品的穆勒矩阵参数进行了详细分析，并结合多波长方法对病理组织穆勒矩阵成像对比度产生机制进行了研究。通过在原有的偏振成像基础上增加波长这一新的检测维度，项目组拓展了偏振成像方法的应用，具有辅助病理医生进行癌症等疾病诊断的潜力。通过本项目执行，项目组已提取了一组取向无关且反映组织样品微观结构的特异性偏振参数，并开发了基于穆勒矩阵测量的偏振内窥和显微成像装置。通过与本地临床医院合作，我们对动物组织和人体组织病理切片进行了演示，在病理诊断、肉质检测、皮肤损伤监测等多个领域显示出这些角度无关偏振参数未来进一步应用的潜力。