[论文解读] 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 24

一句话总结

本综述综合了数十年来偏振光学在生物医学和临床应用中的研究成果，重点阐述了用于矢量光分析的斯托克斯-穆勒形式体系。文章详细介绍了组织表征的先进偏振测量技术，突出显示了近期突破性进展，并概述了未来多模态整合在疾病诊断与成像中的潜力。

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.

研究动机与目标

• 提供适用于生物医学与临床研究的偏振光学技术的全面概述。
• 聚焦组织偏振测量作为核心应用领域，利用光的矢量特性。
• 基于斯托克斯-穆勒形式体系系统化方法，实现对偏振光相互作用的一致性分析。
• 突出显示偏振传感在生物组织中近期的进展与新兴趋势。
• 探索将偏振技术与其他成像模态结合以提升诊断能力的潜力。

提出的方法

• 应用斯托克斯-穆勒形式体系，对生物组织引起的光矢量变换进行建模与分析。
• 采用先进的偏振测量技术，从组织样本中提取具有生物医学意义的信息。
• 整合物理解释方法，将测得的偏振态与组织微结构和成分相关联。
• 回顾生物环境中偏振敏感检测的实验装置与仪器设置。
• 分析结合偏振光学与其他光学技术的多模态成像方法。
• 按其对双折射、二向色性和光学活性的敏感性，对基于偏振的方法进行系统分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地应用偏振光学，从生物组织中提取定量信息？
• RQ2 基于斯托克斯-穆勒形式体系，组织偏振测量最有效的测量与分析技术是什么？
• RQ3 近期在偏振基生物医学成像方面的技术与方法突破有哪些？
• RQ4 偏振技术如何与其它成像模态整合，以提高诊断准确性？
• RQ5 将偏振基方法转化为临床实践的关键挑战与机遇是什么？

主要发现

• 斯托克斯-穆勒形式体系为建模生物组织中偏振变化提供了稳健且全面的框架。
• 偏振技术能够检测与病理状态相关的组织微结构细微变化。
• 近期进展显著提升了对组织中双折射、二向色性和光学活性的敏感性。
• 基于偏振的方法在临床诊断中展现出非侵入性、无标记组织表征的强潜力。
• 与OCT或共聚焦显微镜等其他光学技术的整合，可提高诊断特异性和分辨率。
• 新兴趋势表明，面向临床活体应用的多模态、实时偏振成像系统正在快速发展。