基于奇点光学的乳腺癌诊断技术研究

With the increasing of the incidence rate of breast cancer , the earlier we diagnose the cancer, the better we can prevent it. The present traditional diagnostic methods demand too much money and time. Based on the study of singular-optics and pathologic diagnosis of breast cancer, the singular optics technique and its applications in breast cancer diagnosis for clinical cases will be investigated preliminarily by using matrix optics and statistics. We have obtained that the polarization properties of breast cancer frozen section images are variable. More problems to be solved are the variation of intensity and polarization singularities of biotissues images, the effect of parameter variation of breast cancer biotissues on the singularities’ coordination and total amount of distributions. And it is also important to study the physical mechanism of the changes of intensity and polarization singularities from biotissues, statistical structure of the sound tissue in biopsy, pathological change in precancer as well as in cancer stage. Based on the comparative analysis of the data from the clinical pathologic diagnosis, the feasibility for the new technique will be demonstrated, especially for the early diagnosis. The results obtained in this project would be beneficial to revealing of some new effects in biotissues, and can be useful for new applications of singular optics.

乳腺癌的发病率在不断增加，其早期诊断是防治的关键。目前传统诊断方法费用较高，时间较长。本项目在前期奇点光学理论研究和乳腺癌病理诊断工作基础上，通过矩阵光学和数理统计方法，拟对奇点光学技术在临床乳腺癌症病例诊断中的应用进行探索性研究，以期获得一种新的乳腺癌诊断技术。我们已通过实验探索发现，激光经乳腺癌组织冰冻切片成像后的偏振特性会发生变化。进一步要解决的关键问题是研究激光经乳腺癌组织冰冻切片成像后强度和偏振奇点变化规律，给出不同组织参数变化对奇点坐标和数目等的影响，揭示生物组织对强度和偏振奇点影响的物理机制；研究正常组织、癌前病变以及癌症中晚期奇点的统计变化规律。与目前临床使用的病理诊断等方法所得结果相比较，论证该新技术的可行性，尤其是论证是否存在早期诊断的优势。研究结果不仅将揭示出一些生物组织中新的奇点光学效应，同时也可为奇点光学开拓出新的应用领域，具有潜在的临床应用价值。

本项目开展了光束在自由空间以及聚焦空间的偏振奇点演化和控制、光束在聚焦空间的相位奇点的演化、激光束经组织切片后的偏振奇点变化规律的实验探索等三个方面的研究，取得的主要研究成果如下：. （1）对光束电场和磁场的偏振奇点在自由空间传输、在聚焦场的演化和控制进行了研究和比较。深化了对随机电磁束的光谱Stokes奇点在自由空间的变化规律、在焦区电场和磁场的偏振奇点变化规律的认识。. （2）研究了光束在聚焦场相位奇点变化规律。推导了异常空心光束、高斯涡旋光束通过像散透镜后的光场分布表达式和相位奇点分布表达式，研究了其在几何焦平面的相位奇异特性。深化了对光束在聚焦空间传输相位奇点的演化特性的认识。. （3）搭建了适合本项目的实验光路，以乳腺癌变组织与良性病变组织切片为实验对象，从激光图像中找出了线偏振奇点和圆偏振奇点。利用MATLAB编程进行数理统计分析，得出癌变组织与良性病变组织在奇点分布上的区别。研究结果不仅揭示出一些生物组织中新的奇点光学效应，同时也可为奇点光学开拓出新的应用领域，具有潜在的临床应用价值。. 该项目在国内外重要学术期刊已发表4篇高质量的学术论文，其中<SCI>收录1篇，<EI>收录3篇，指导本科学生完成毕业论文4篇。. 综上所述，课题组已基本完成了项目申请书要求的主要研究内容，在理论和实验研究上取得了进展，为后续的相关研究奠定了坚实的基础。