【博采众议】偏振成像:揭开纤维面纱的新方法
发布时间:2020-11-27 00:00:00 编辑:特约撰稿:北京理工大学 陈博士 编辑:麓帮主 阅读次数:112

 

导读

最近,瑞士伯尔尼大学的MartinFrenz团队进行了一项实验研究,用背散射光照射电纺纳米纤维(偏氟乙烯共六氟丙烯PVDFhfp)膜,分析斯托克斯矢量的变化,旨在更好地理解偏振图像与类组织纤维材料排列程度之间的关系,进而确定描述材料排列程度的偏振指标。这项研究在检测双折射、确定排列良好的纤维结构的方向以及生成区分不同类型组织的对比度图像方面取得了重要进展。

该研究成果以“Polarimetric imaging in backscattering for the structural characterization of strongly scattering birefringent fibrous media”为题发表在Optics Express上。

 

 

>>  前言  <<

 

穆勒偏振测量作为一种非标记、无损伤检测技术,能够提高组织浅表层对比度,同时能反映散射介质微观结构,并且对亚波长微观结构变化十分敏感,在生物医学,特别是肿瘤检测领域表现出独特的优势。用光学参数定量诊断病变组织是当前生物医学光子学领域中研究的热点问题。

穆勒偏振仪能够测量穆勒矩阵,其主要由照明臂与探测臂两部分组成,照明臂通过一个线偏振片与两个液晶可变延迟器可以产生任意偏振态的光,入射光照射到待测样品表面发生散射,来自样品的背向散射光进入探测臂,先后经过透镜、分束器、两个液晶可变延迟器、线偏振片,最后经过一个成像透镜,在CCD处进行成像,通过改变起偏器件和检偏器件可以获取携带样品微观结构信息的穆勒矩阵。光源波长选择785 nm,这与对组织诊断有利的波长范围保持一致。

 

系统原理图

 

    穆勒矩阵包含样品微观结构的全部偏振特性,但通过破译组织穆勒矩阵提取组织微观结构的信息仍然是一个具有挑战性的工作,如何进一步理解组织偏振特性与其微观结构之间的相关性,特别是它们的排列整齐程度是目前依然面临的一项困难。

 

 

>>  研究背景  <<

生物组织包含许多细长的纤维及纤维状大分子,比如皮肤和肌腱中含有的胶原纤维、骨骼肌含有的肌原纤维,还有角蛋白、轴突等等,这些纤维组织以一定的方式排列,表现出一定程度的各向异性,通过双折射表现出来,双折射可以通过偏振光观察到。

源于穆勒偏振测量技术在肿瘤检测领域表现出独特的优势,研究人员希望将其应用于癌症诊断与治疗,而许多病变的发生伴随着纤维结构的改变,纤维结构信息包含于穆勒矩阵之中,分析穆勒元素与纤维微观结构之间的关系目前仍然存在挑战。

许多研究人员尝试用各种数学分解方法提取参数来揭示穆勒矩阵的物理意义。目前比较流行的是Lu和Chipman提出的极分解方法,这一方法以系统可交换为前提,简单易于理解,被广泛应用于组织光学领域,对诊断产生了一定的价值。然而由于生物组织并非单一特性的退偏器或延迟器等,使用这种方法并不能解决根本问题。目前还有3个流行的研究分支:

· 基于经验观察,不依赖于分解直接从穆勒矩阵中提取相关指标;
· 统计分析方法,找到穆勒矩阵参数与组织微观结构特性之间更加定量和精确的关系,进行统计研究;
· 通过观察与组织相似材料的偏振特性,从而更直接地理解偏振光散射。这些方法都试图来解决目前存在的问题。

 

>>  创新研究  <<

    Martin Frenz和他的团队首先设计了两种纳米纤维膜,一种纤维取向随机分布,另一种整齐分布。针对取向整齐度不同的纤维薄膜,作者不依赖传统的穆勒矩阵,而是采用更为基础的斯托克斯矢量分析了纤维薄膜背散射光偏振态的改变。这种方法有助于建立薄膜结构的各向异性和它们所表现的双折射之间的相关性。文章进一步展示了如何利用这种相关性来推断构成膜的纳米纤维的排列程度。

电仿纤维(偏氟乙烯共六氟丙烯)

为了用偏振显微镜探测不同的膜,将每个膜安装在一个支架板上,支架中心有一个直径为1 cm的圆形窗口,这个窗口的目的是收集样品内部散射出来的光,而避免来自支架界面的影响。

 

纤维示意图

为了直观、清楚地理解偏振状态的变化,作者绘制和分析了取向、椭圆率、螺旋性、偏振度等图像。研究表明线偏振度与椭圆率相结合可能成为评估各向异性纳米纤维双折射特性的一项有用指标。

两组纤维测量图像差距明显,强度分布图显示随机分布纤维呈各向同性,有序排列纤维呈各向异性。偏振度分布图显示有序排列的纤维呈椭圆分布,且分布与入射光的偏振状态无关,而对于随机排列的纤维呈现螺旋对称的性质,且与入射光的偏振状态有关。综合,这项研究的第一项发现是,背散射光的线偏振度是一个评价纤维双折射特性的可靠指标。

 

随机排列纤维

有序排列纤维

用背散射线偏振光振动方向与纤维取向范围的一致性表征纤维排列的整齐程度,这项研究的第二个发现是:随着纤维排列一致性的增强,各向异性增加。这表明高度对齐的纳米纤维膜表现得像单轴双折射材料,其中光轴为纤维的平均对齐方向;相比之下,随机排列的纤维膜表现为各向同性。

 

不同整齐程度排列的纤维

 

>>  应用于展望  <<

这项研究表明,通过量化纤维材料的偏振响应可以获得纤维材料排列程度的测量,但研究局限于用线偏振光探测膜的亚表面层。为了更深入地探测这些材料,也可以使用椭圆偏振光和圆偏振光,但这样的测量结果不仅包含材料的双折射,纳米纤维的散射也会对背散射光的椭圆度产生影响,所以这方面仍具有挑战性。总之,这项研究为生物组织微观结构与偏振特性之间建立连接起到至关重要的作用。

未来工作将考虑应用到医学诊断,针对纤维丰富的体外组织样本,以验证此方法是否可以揭示不同组织类型纤维对齐程度的差异。

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