[論文レビュー] Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review

Chao He, Honghui He+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Optical Polarization and Ellipsometry参考文献 118被引用数 24

ひとこと要約

本レビューは、生体および臨床応用における偏光光学分野の数十年にわたる研究を統合し、ベクトル光解析のためのストークス＝ミュラー形式に焦点を当てている。組織の特性評価のための高度な偏光計測技術の詳細、最近の画期的進展の強調、疾患診断および画像診断における今後のマルチモodal統合の可能性を概説する。

ABSTRACT

Many polarisation techniques have been harnessed for decades in biological and clinical research, each based upon measurement of the vectorial properties of light or the vectorial transformations imposed on light by objects. Various advanced vector measurement/sensing techniques, physical interpretation methods, and approaches to analyse biomedically relevant information have been developed and harnessed. In this review, we focus mainly on summarizing methodologies and applications related to tissue polarimetry, with an emphasis on the adoption of the Stokes-Mueller formalism. Several recent breakthroughs, development trends, and potential multi-modal uses in conjunction with other techniques are also presented. The primary goal of the review is to give the reader a general overview in the use of vectorial information that can be obtained by polarisation optics for applications in biomedical and clinical research.

研究の動機と目的

• 生体および臨床研究に適用可能な偏光光学技術の包括的概説を提供すること。
• ベクトル光の性質を活用する組織偏光計測を、中心的な応用分野として焦点化すること。
• 偏光光の相互作用を一貫して分析するためのストークス＝ミュラー形式に基づく方法論の体系化。
• 生物学的組織における偏光センシング分野における最近の進展および新たな動向の強調。
• 偏光技術を他の画像診断モodalと統合することで、診断能力を向上させる可能性の探求。

提案手法

• 生物学的組織が光のベクトル的変換をどのように処理するかをモデル化・分析するため、ストークス＝ミュラー形式の応用。
• 組織サンプルから医療的関連情報を抽出するための高度な偏光計測技術の使用。
• 測定された偏光状態と組織の微細構造および組成との関連を解釈するための物理的解釈手法の統合。
• 生物学的環境における偏光感受性検出のための実験設定および装置のレビュー。
• 偏光光学と他の光学技術を組み合わせたマルチモダリティ画像診断アプローチの分析。
• 屈折率異方性、減衰異方性、光学活性への感受性に基づいて、偏光ベースの手法を体系的に分類。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 偏光光学をどのように体系的に応用することで、生物学的組織からの定量的情報を抽出できるか？
• RQ2 ストークス＝ミュラー形式を用いた組織偏光計測において、最も効果的な測定および分析手法は何か？
• RQ3 偏光ベースの生体画像診断分野を前進させた最近の技術的および手法的画期的進展は何か？
• RQ4 偏光技術を他の画像診断モダリティとどのように統合することで、診断の正確性を向上させられるか？
• RQ5 偏光ベースの手法を臨床応用に移行させるにあたり、主な課題と機会は何か？

主な発見

• ストークス＝ミュラー形式は、生物学的組織内での偏光変化をモデル化するための堅牢で包括的なフレームワークを提供する。
• 偏光技術により、病的状態に関連する微細な組織微細構造の変化を検出可能である。
• 最近の進展により、組織内の屈折率異方性、減衰異方性、光学活性への感受性が向上した。
• 偏光ベースの手法は、非侵襲的かつラベルフリーな組織特性評価の観点から、臨床診断分野において強く有望な可能性を示している。
• OCTや共焦点顕微鏡などの他の光学技術と統合することで、診断の特異性および解像度が向上する。
• 新たな動向として、生体内臨床応用を想定したマルチモダリティ型でリアルタイムの偏光画像診断システムの開発が進んでいる。