用于生物醫(yī)學和臨床應用的偏振光學

撰稿 | 何超（牛津大學）

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

作為一種電磁波，光具有強度，波長，相位和偏振等基本特性。其中光的偏振屬于矢量性質(zhì)，其高維度的特性決定了偏振的測量和表征較為復雜。由于人眼可以直接或間接觀察到光的強度、顏色(波長)、相位信息，因此基于上述基本屬性的光學方法發(fā)展歷史較為悠久，在生物醫(yī)學領域應用廣泛。

圖1 用于生物醫(yī)學和臨床應用的偏振光學藝術效果圖

與此相比，人眼不具有感知偏振的能力，因此基于偏振的光學方法發(fā)展相對較晚。然而近年來隨著新的精密偏振器件、探測器，及測量優(yōu)化校準方法不斷出現(xiàn)，偏振光學方法具有的獨特優(yōu)勢正在引起關注。

如今，偏振光學已在多個領域發(fā)揮著重要作用，覆蓋從基礎物理，如量子物理研究到各類應用，如材料表征以及生物醫(yī)學檢測等方方面面。

因其具備1)攜帶的信息量大，2)無需外源性標記，3)兼容各類已有光學儀器等諸多優(yōu)勢，偏振光學方法在生物醫(yī)學研究及臨床實踐中得到越來越廣泛的應用。

近日，來自清華大學何宏輝副教授、馬輝教授，以及牛津大學何超青年研究員、Martin J. Booth教授研究團隊，以 Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review 為題，在 Light: Science & Applications 上發(fā)表綜述文章。

該文章簡要介紹了偏振光學基礎，系統(tǒng)總結(jié)了在生物醫(yī)學研究中偏振測量及成像技術的應用現(xiàn)狀，面向生物醫(yī)學樣本的偏振信息提取和參數(shù)分析的方法，并展示了在薄樣本透射偏振成像/厚組織反射偏振成像中的典型應用，以及和其他技術結(jié)合的多模態(tài)生物醫(yī)學檢測方法等。

文章討論了若干近期的偏振成像測量技術突破，最后展望了偏振光學方法在生物醫(yī)學研究領域未來的發(fā)展方向。參與相關研究的團隊成員還包括常金濤博士，以及清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系研究生陳斌國。

圖2 光的偏振性質(zhì)及和生物樣品的作用

本綜述首先介紹了偏振光學應用于生物醫(yī)學領域的基本數(shù)學工具。作者通過將生物醫(yī)學偏振計和橢偏測量術的發(fā)展進行對比，總結(jié)了復雜散射體系與非散射體系偏振測量需求的差異。

考慮到生物醫(yī)學樣品，如組織、細胞等常常具有較為顯著的散射特性，因此常用一個四維斯托克斯矢量描述光的偏振狀態(tài)，此時入射光與樣品的散射相互作用可由一個4×4偏振變換矩陣-即穆勒矩陣表征，其第一個矩陣元代表我們熟知的非偏振光學特征，其余陣元反映樣品的不同偏振光學屬性。由此可見，偏振光學方法可提供樣品的大量信息。此外，由于光的偏振態(tài)調(diào)制器件不影響光的傳播方向，通過在光路中增加偏振器件，我們可在保持顯微鏡、內(nèi)窺鏡等原有光學成像及測量設備工作方式不變的情況下，拓展其獲取生物醫(yī)學樣品微觀結(jié)構(gòu)信息的能力。

圖3 穆勒矩陣及其內(nèi)部“編碼”的物理信息

針對生物醫(yī)學應用，綜述進一步的沿著偏振測量及成像技術-偏振信息提取與參數(shù)分析-組織和細胞的偏振成像及測量應用等三個方面進行了系統(tǒng)回顧總結(jié)：

偏振測量及成像技術：偏振測量及成像技術是生物醫(yī)學應用的基礎，本文介紹了近年來發(fā)展的一系列測量光（斯托克斯矢量）及物體（穆勒矩陣）偏振性質(zhì)的偏振計，并面向不同應用場景對同時/非同時、部分/完全偏振測量及成像技術進行了總結(jié)；由于偏振的高維度特性，在測量過程中的降噪、優(yōu)化、校準對于最終偏振測量結(jié)果的準確性至關重要，論文對各類偏振計的降噪-優(yōu)化-校準模型進行了統(tǒng)一歸納介紹和展望。

偏振信息提取與參數(shù)分析：在獲得準確的偏振測量結(jié)果后，如何從這些高維度矢量信息中獲取生物樣本結(jié)構(gòu)特征，是決定偏振光學方法的生物醫(yī)學應用前景的另一關鍵。論文總結(jié)了面向生物組織、細胞等樣本的偏振信息提取和參數(shù)分析的代表性方法，包括基于理論模型提出的穆勒矩陣分解、變換等方法，以及基于大數(shù)據(jù)分析的偏振數(shù)據(jù)降維等信息提取方法，并對上述方法的應用條件、表征不同結(jié)構(gòu)的能力等進行了對比分析。

組織和細胞的偏振成像及測量應用：不同組織、細胞樣本具有不同的散射和偏振特性，論文分別從薄樣本透射偏振成像/厚組織反射偏振成像兩方面對典型應用進行了總結(jié)，分別展示了若干代表性方法及應用實例。此外作者還對相關的生物組織仿體和模型模擬方法進行了歸納。通過綜述可以看到，偏振成像作為一種亞波長微觀結(jié)構(gòu)敏感、非標記、定量化、無損傷的成像檢測技術，在生物醫(yī)學研究和臨床醫(yī)學領域，特別是腫瘤診斷方面顯示出了廣闊的應用前景。

綜述最后結(jié)合當下快速發(fā)展的機器學習、非線性光學、超表面等技術，對偏振光學方法在生物醫(yī)學研究及臨床應用中的未來發(fā)展方向進行了展望。

圖3 偏振光學方法的潛在多模態(tài)聯(lián)用

論文信息：

He, C., He, H., Chang, J. et al. Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review. Light Sci Appl 10, 194 (2021). 

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00639-x

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編輯 | 趙陽

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