作者:Binguo Chen et al. 来源:Applied Sciences 发布时间:2022/2/24 19:22:12
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清华大学何宏辉副教授:生物组织透射和背向偏振光散射成像穆勒矩阵提取参数的定量比较 | MDPI Applied Sciences

论文标题:Comparative Study of Modified Mueller Matrix Transformation and Polar Decomposition Parameters for Transmission and Backscattering Tissue Polarimetries(生物组织透射和背向偏振光散射成像穆勒矩阵提取参数的定量比较)

期刊:Applied Sciences

作者:Binguo Chen et al.

发表时间:5 November 2021

DOI:10.3390/app112110416

微信链接:

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/applsci

作者简介

何宏辉 副教授

清华大学

2011年毕业于清华大学物理系并获博士学位,现任清华大学深圳国际研究生院副研究员,中国光学学会生物医学光子学专业委员会青年委员 (第三届、第四届),国际光学工程学会SPIE会员,美国光学学会OSA会员。主要从事光学成像方法及其生物医学应用方面的研究。具体研究领域包括偏振散射成像原理,偏振光与生物组织相互作用模型,偏振散射成像在组织病理检测方面的应用,偏振显微镜、偏振内窥镜等仪器设备开发等,在国内外刊物发表学术论文九十余篇,申请国际国内专利十余项。作为负责人承担了科技部国家重点研发计划-重大科学仪器设备开发项目、国家自然科学基金项目、深圳市科技研发资金项目等。

随着技术的发展,光学已经从物理领域辐射到各个应用领域。近年来相关研究不断将生物医学领域推进到更微观的层面。作为一种非侵入性、非接触式和无标记工具,穆勒矩阵 (Mueller Matrix) 包含了组织和细胞的丰富微观结构信息[1],目前广泛应用于生物医学研究和临床实践。

具体而言,穆勒矩阵相关成像方法可用于病变组织检测,包括大块组织样本的背向散射成像和薄组织切片的前向透射成像等[2]。然而,尽管穆勒矩阵包含较多信息,但通常很难直接从中提取特定光学特性,例如二向色性、相位延迟和退偏等。为了解决这个问题,学者们已经提出了一些方法将穆勒矩阵分解为与特定光学特性相关的参数组,这些参数组可用于更清晰、定量地揭示组织样本的微观结构信息[3]。清华大学何宏辉副教授及其合作者发表在Applied Sciences 特刊"Novel Biophotonics Technologies and Applications"上的文章[4]对此进行了研究。

研究背景简介

目前穆勒矩阵极化分解 (Mueller Matrix Polar Decomposition,MMPD) 和穆勒矩阵变换 (Mueller Matrix Transformation,MMT) 是组织极化研究中的流行方法,在各种组织检测中都具备诊断潜力。但值得注意的是,两种方法推导出的参数是基于特定的推导模型和计算假设,为了准确诊断目的,对不同类型样本的适用性需要进一步分析。

材料与方法

1 理论推导

文章给出了MMPD与MMT的参数矩阵及基本模型。其中θ参数通常用于描述由纤维组织结构引起的线性双折射快轴方向,作者使用了团队最近研究中提出的修改优化后的MMPD参数θe描述了包含分层纤维结构的复杂组织样本的方向。

整体而言,MMT计算的原理基于实验和模拟得到的拟合参数,计算速度相对较快,有利于临床应用。但应用于特定组织和细胞的定量表征时,其准确性有待进一步研究。对应的,MMPD方法对组织样本的适用性已在各种离体和体内测量中得到证实,目前广泛应用于生物医学和临床前检测领域。

2 材料和测量装置

作者团队之前的研究中设计了一套用于测量薄组织切片的透射穆勒矩阵显微镜和用于测量大块组织样本的背向散射穆勒矩阵成像装置[5]。测量方案基于双波片旋转测量方法,具体而言偏振态发生器 (Polarization State Generator, PSG) 和偏振态分析器 (Polarization State Analyzer, PSA) 由一对固定在水平方向上的偏振片,以及两个以固定速率旋转的波片组成。研究中使用的穆勒矩阵测量设置经过校准,以确保测量的穆勒矩阵元素的最大误差小于1%。

材料方面,作者准备了两种类型的组织样本用于比较分析:用于透射测量的薄病理组织切片和用于背向散射测量的大块组织样本。未染色的薄组织样本包括人类结直肠、肠结核、肝脏、克罗恩病、膀胱、乳腺、腺瘤组织切片,厚度为12μm;大块组织样本包括人类乳腺、大鼠-皮肤、猪肠、猪胃和猪肝组织。对应地,也准备了H-E染色的4µm厚样品组织切片用于病理观察 (人体组织样本由南方医科大学珠江医院消化内科和深圳市第六人民医院提供,工作也得到了清华大学深圳国际研究生院伦理委员会的批准)。具体样本信息如表1所示。

表1. 组织样本与穆勒矩阵旋光系统实验装置具体参数

3 测量与分析

为了更全面地比较MMT和MMPD参数,文中分析了薄组织样本的透射成像结果和大块组织样本的背向散射成像结果的三个主要偏振特性:二向色性、相位延迟和退偏。分别进行了8组实验,对用于薄组织样本透射成像二向色性相关参数、线性相位延迟相关参数、线性双折射方向相关参数及退偏相关参数分别进行了定量比较;对用于大块组织样本的背向散射成像的相同参数也分别进行了定量比较。

在将具有相同偏振特性的参数分组后,即二向色性、线性相位延迟、线性双折射快轴取向和退偏,作者进行了相关性和统计分析。例如图1为用于薄组织样本透射成像的二向色性相关MMPD和MMT参数的定量比较结果。

图1. 比较薄组织样本的MMT和MMPD偏振二向色性参数的透射测量值。(A) 将MMPD参数D与其对应的MMT参数t1213绘制成图,以便与所有7种薄组织样本进行相关分析。(B) 每种薄组织样本的MMPD参数D和MMT参数t1213的统计分析条形图。(C) 将MMPD参数D与其对应的修正MMT参数t121314作图,以便与所有7种薄组织样本进行相关分析。(D) 每种薄组织样本的MMPD参数d和修正MMT参数t121314的统计分析条形图。

结论

本项研究通过特定的实验装置,对两种类型的组织样本进行了测量,比较了MMT和MMPD两种方法得出的参数。文章基于实验结果并对MMPD和MMT参数适用性进行了分析和讨论,为穆勒矩阵成像中不同类型组织样本的参数选择提供了建议,为相关生物医学和临床研究提供了参考与帮助。

参考文献

[1] Ramella-Roman, J.; Saytashev, I.; Piccini, M. A review of polarization-based imaging technologies for clinical and pre-clinical applications. J. Opt. 2020, 22, 123001.

[2] He, H.; Liao, R.; Zeng, N.; Li, P.; Chen, Z.; Liu, X.; Ma, H. Mueller matrix polarimetry—an emerging new tool for characterizing the microstructural feature of complex biological specimen. J. Lightwave Technol. 2019, 37, 2534–2548.

[3] Vizet, J.; Ossikovski, R. Symmetric decomposition of experimental depolarizing Mueller matrices in the degenerate case. Appl. Opt. 2018, 57, 1159–1167.

[4] Chen, B.; Lan, Y.; Zhai, H.; Deng, L.; He, H.; Mao, H.; Ma, H. Comparative Study of Modified Mueller Matrix Transformation and Polar Decomposition Parameters for Transmission and Backscattering Tissue Polarimetries. Appl. Sci. 2021, 11, 10416. https://doi.org/10.3390/app112110416

[5] He, H.; Liao, R.; Zeng, N.; Li, P.; Chen, Z.; Liu, X.; Ma, H. Mueller matrix polarimetry—an emerging new tool for characterizing the microstructural feature of complex biological specimen. J. Lightwave Technol. 2019, 37, 2534–2548.

Applied Sciences 期刊介绍

主编:Takayoshi Kobayashi, The University of Electro-Communications, Japan

期刊主题涵盖应用物理学、应用化学、工程、环境和地球科学以及应用生物学的各个方面。截止目前被SCIE, Scopus等多种数据库收录,JCR分区在多学科工程以及应用物理领域都在Q2。

2020 Impact Factor: 2.679

2020 CiteScore: 3.0

Time to First Decision: 16 Days

Time to Publication: 37 Days

 
 
 
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