偏振组织光学模型与偏振成像病理诊断方法研究

偏振敏感测量方法可以有效提高强散射生物组织浅表层成像的对比度，并且不同偏振指标对不同类型组织病变有不同的反应，偏振成像在临床病理检查，特别是癌变早期诊断方面具有诱人的应用前景。本课题将建立能够描述各向异性生物组织偏振光散射基本特征的组织光学模型，并利用蒙特卡洛模拟，以及多种偏振光散射测量与成像实验手段，研究偏振光在复杂生物组织中的散射传播规律，确定不同偏振成像方法所得测量结果与生物组织微观结构和光学性质之间的对应关系，以及与临床诊断指标之间的联系，发展临床医学病理检查、特别是癌变早期诊断的新方法。另外，由于偏振成像对比度主要来自非扩散近似散射光子的贡献，本课题将探索非扩散近似散射光子的普遍行为。

偏振光散射测量方法可以有效提高强散射生物组织浅表层成像的对比度，并且不同偏振指标对不同类型组织病变有不同的反应，因而偏振成像在临床病理检查，特别是癌变早期诊断方面具有诱人的应用前景。通过本项目执行课题组主要研究内容和进展包括：1. 生物组织偏振光散射模型和表征方法研究：课题针对不同生物组织具有的结构特点，建立了球柱双折射模型，模型中球柱两种散射体分别代表组织中的各向同性、各向异性散射结构，同时模型中的双折射代表组织中周边介质的光学各向异性。课题基于这一模型发展了蒙特卡洛模拟程序、实验标准样品，利用模型-模拟-实验体系，课题对生物组织偏振光散射表征方法进行了系统研究，获得了大量重要结论。2. 偏振成像方法和应用：通过本课题我们发现穆勒矩阵当中包含了生物组织大量结构信息，由此对穆勒矩阵变换方法进行了发展和完善。穆勒矩阵变换方法在旋转线偏振方法的思想上更进一步，提供了一组具有明确物理意义的偏振参数。课题将这些参数应用于多种癌变组织，初步演示了其在临床诊断中的潜在应用价值。课题组尝试了多种定量分析手段，将定性的二维穆勒矩阵强度分布图像转化为频率分布曲线、中心矩等定量化参数。针对癌变组织的分析结果显示，这些定量参数能反映组织微观结构的不同特点。此外对于不同生物医学样品实际检测需求，课题发展了偏振显微镜、多波长背向偏振成像装置等设备，为进一步的应用研究打下了基础。3. 非扩散散射光子行为的基础研究：课题在偏振光子散射行为的模拟研究方面取得了一定进展，包括分析了光子在介质中传播散射过程中的退偏、相位延迟等变化，以及组织通透对光子行为影响等。通过本课题的研究我们在生物组织偏振散射实验测量、模型模拟方面均取得了较为明显的进展，利用实验和模拟课题组从穆勒矩阵中提取了具有明确物理意义的微观结构参数，并初步应用于不同的癌变组织检测。本课题所获得的参数、方法、结论为进一步的应用研究提供了坚实基础，并将通过后续项目的支持持续开展。