癌变组织穆勒矩阵与现场诊断方法研究

Mueller matrix contains rich information of scattering medium. Mueller matrix imaging techniques can be used to detect the microstructure variations of superficial tissues, including the sizes and shapes of cells, the structures in the cells, and the densities of the organelles. It is a method of good prospect in early cancer detection. In this project, we study the polarization scattering and Mueller matrices of cancerous tissues for rapid in situ diagnosis purposes. We will take the characteristic Mueller matrices of different cancer pathological sections, and develop the model of polarized light scattering in cancerous tissues based on information from other high resolution microscopic measurements and Monte Carlo simulations. Further, we will extract cancer sensitive parameters using Mueller matrix transformation technique and test their performance in clinical applications. We will also conduct preliminary studies on issues related to Mueller-endoscopy.

穆勒矩阵包含散射介质丰富的微观结构信息，穆勒成像方法有能力探测浅层生物组织中几十微米范围内微观结构的变化，包括细胞形态、胞内结构、以及细胞器形态和浓度等，因此对癌变早期诊断有重要的潜在应用价值。本课题针对癌变组织现场快速诊断需求，研究癌变组织偏振光散射和穆勒矩阵等方法学基础问题。课题将测量典型癌变临床病理切片特征穆勒矩阵，配合光学显微成像和其它高分辨成像结果以及蒙特卡洛模拟，建立癌变组织的偏振光散射模型。进而，利用穆勒矩阵变换形成特异性癌变诊断指标，建立相应的测量程序，并在临床应用中进行检验和不断完善。课题中还将针对内窥穆勒成像相关的一些关键技术方法问题进行探索性研究。

偏振光散射成像方法具有无标记、低损伤、信息量巨大、对亚波长微观结构敏感等独特优势，并与现有成熟的非偏振光成像装置完全兼容。随着新的偏振测量原理、测量方法、数据处理技术和大数据分析方法快速发展，偏振方法在生物医学检测特别是癌症诊断方面显示出广阔的应用前景。本项目针对不同种类的人体病理组织进行了穆勒矩阵成像，并建立了相应的偏振光散射模型。在对大量的人体癌变组织切片和厚组织样本进行穆勒矩阵成像及信息提取分析之后，本项目总结了病理组织穆勒矩阵和微观结构之间关系的基本特征。进而我们对乳腺癌、肝癌、甲状腺癌、宫颈癌等病理组织切片的二维穆勒矩阵强度分布、频率分布直方图、穆勒矩阵变换和分解参数实验结果进行了详细分析。同时通过本项目我们开发了包括偏振内窥、偏振显微镜在内的多种成像和检测设备，并结合病理组织成像实际需求解决了这些装置使用中的偏振优化、校准等问题。利用穆勒矩阵偏振显微镜和内窥镜我们进行了初步的临床验证，结果表明本项目获取的穆勒矩阵参数非常适合对具有特定结构特征的病理组织进行定量成像，进而为相关的癌症等临床诊断提供指标，显示出未来巨大的应用前景。