[논문 리뷰] Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review

Chao He, Honghui He외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 10.

Optical Polarization and Ellipsometry참고 문헌 118인용 수 24

한 줄 요약

이 리뷰는 생물의학적 및 임상 적용 분야에서 편광 광학에 관한 수십 년에 걸친 연구를 종합적으로 다루며, 벡터 광선 분석을 위한 Stokes-Mueller 형식을 중심으로 한다. 조직 특성 분석을 위한 고도화된 편광 측정 기술을 상세히 기술하고 최근의 돌풍 같은 성과를 강조하며, 질병 진단 및 영상 촬영 분야에서 향후 다중 모odal 통합의 잠재력을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물의학 및 임상 연구에 적용 가능한 편광 광학 기술에 대한 종합적인 개요를 제공하기 위해.
• 벡터 광선 성질을 활용하여 조직 편광 측정을 중심 응용 분야로 집중하기 위해.
• 일致된 편광된 빛 상호작용 분석을 위한 Stokes-Mueller 형식 기반의 체계적 방법론을 정리하기 위해.
• 생물 조직에 대한 편광 감지 기술의 최근 발전과 새로운 추세를 부각하기 위해.
• 편광 기술을 다른 영상 촬영 기법과 융합하여 진단 능력을 향상시키는 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 생물 조직이 빛의 벡터 변환을 어떻게 처리하는지 모델링하고 분석하기 위해 Stokes-Mueller 형식을 적용하기 위해.
• 조직 샘플에서 생물의학적으로 유의미한 정보를 추출하기 위해 고급 편광 측정 기법을 사용하기 위해.
• 측정된 편광 상태와 조직 미세 구조 및 조성 간의 관계를 설명하기 위해 물리적 해석 방법을 통합하기 위해.
• 생물 환경에서 편광 민감도 검출을 위한 실험 설정 및 장비를 검토하기 위해.
• 편광 광학과 다른 광학 기법을 융합한 다중 모달 영상 접근 방식을 분석하기 위해.
• 비틀림성, 비틀림 손실, 광학 활성성에 대한 민감도에 따라 편광 기반 방법을 체계적으로 분류하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 편광 광학을 어떻게 체계적으로 적용하여 생물 조직으로부터 정량적 정보를 추출할 수 있는가?
• RQ2 Stokes-Mueller 형식을 활용한 조직 편광 측정을 위한 가장 효과적인 측정 및 분석 기법은 무엇인가?
• RQ3 편광 기반 생물의학 영상 기술의 발전을 이끈 최근의 기술적 및 방법론적 돌풍 같은 성과는 무엇인가?
• RQ4 편광 기술을 어떻게 다른 영상 촬영 기법과 융합하여 진단 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 편광 기반 방법을 임상 적용으로 이르기 위한 주요 과제와 기회는 무엇인가?

주요 결과

• Stokes-Mueller 형식은 생물 조직 내 편광 변화를 모델링하는 데 있어 강력하고 종합적인 프레임워크를 제공한다.
• 편광 기술은 병적 상태와 연관된 미세한 조직 미세 구조 변화를 감지할 수 있다.
• 최근의 발전으로 조직 내 비틀림성, 비틀림 손실 및 광학 활성성에 대한 민감도가 향상되었다.
• 편광 기반 방법은 임상 진단에서 비침습적, 레이블 프리 조직 특성 분석에 강력한 잠재력을 보인다.
• OCT나 공성 현미경과 같은 다른 광학 기법과의 융합은 진단 특이도와 해상도를 향상시킨다.
• 최신 추세는 실시간, 다중 모달 편광 영상 시스템을 통해 생체 내 임상 적용을 위한 향후 방향을 보여준다.