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生物医学和临床中的偏振光学应用

2022-1-6 08:31| 发布者: 前途无量| 查看: 143| 评论: 0

摘要: 光是一种电磁波,它可以以各种偏振态存在,包括线性、圆形和椭圆形,它们以振荡电场电磁波分量的不同形式存在。

       光是一种电磁波,它可以以各种偏振态存在,包括线性、圆形和椭圆形,它们以振荡电场电磁波分量的不同形式存在

      在光学相关应用,光的偏振态是一个非常重要的性质,因为光与物质的相互作用取决于入射的偏振态。例如,在分子系统上用线偏振光或圆偏振光进行光学吸收实验,会产生不同的结果。


      对于手性分子,当用线偏振光记录时,两个对映体的吸收光谱相同;但用圆偏振光,两者表现不同,这是因为对映体优先吸收圆偏振光的单手性。由此原理,可以检验样品的圆二色性


      在生物医学成像实验,常通过偏振控制来抑制目标区域外的信号,例如组织附近的散射信号。散射光中通常会引起一定程度的去偏振,因此偏振器可认为是滤波器,用来减少不必要的散射,达到提高图像的信噪比的目的。

 

偏振光学

      偏振控制的关键是偏振光学器件的使用。有几种用于光学控制的光学元件,包括用于制造偏振器的光学活性晶体或二向色性材料。实验中需要改变偏振态时使用安装在旋转座架上的波片。


      波片将通过在偏振分量之间引入相位延迟来旋转入射光的偏振。波片通常是由双折射材料制成的。最常见的延迟规范是 λ/4-,它可以根据入射线偏振光的入射偏振角产生圆偏振态或椭圆偏振态,反之亦然或者 λ/2,用于线偏振光偏振轴的旋转。波片还能够实现另一种偏振控制方法,并能实现一系列不同相位变化


      特别是在显微镜和像应用中,偏振控制通常用于散射抑制,偏振信息也可用于提取样品的附加信息

 

偏振测量技术

        在成像实验中,有几种不同的实验方案可以用来提取偏振信息。散射抑制方法通常用于大块组织样本,对于薄组织样本,可以利用偏振信息区分不同疾病的图像特征,例如可以区分极为相似的克罗恩病和结核病图像特征。生物医学偏振成像可用于多种类型的癌症诊断,以及对组织样本的纤维化阶段进行量化。


       光的偏振可看作是一种矢量属性,而与之相互作用的系统也可以看作是矢量信息,这些信息可用来描述系统之间的相互作用。这就需要使用一系列的形式,这些形反过来又可以帮助预测偏振数据中的特征或解释它们。


       根据所涉生物系统是否在短时间内经历快速交换过程,或者时间平均图像是可以接受的描述,亦或可以使用单次激发或时间序列偏振测量。尽管有些方法可恢复全部的偏振信息,但更有更简单直接的实验可以恢复其中部分信息。


       虽然旋转偏振器是进行许多此类测量的成本效益的方法,但现在有了更先进的技术,例如铁电液晶或空间光调制器,这些技术也提供了快速信号调制的方法这可以减少临床应用中的重要测量时间。

 

未来展望

        机器学习技术进行图像自动分析和潜在疾病诊断,在生物医学和临床成像中应用前景广阔。将图像自动识别应用于光学即时测量设备可以减少在实验室进行活组织检查或样品分析的步骤,这会为临床决策提供更及时和更多的信息


       成像仪器调试时,往往在空间分辨率和扫描时间之间有一个取舍平衡;但使用机器学习和极化测量技术,将获得更高的有效成像分辨率,提高偏振测量数据的质量,同时还会抑制实验中易引起误差的伪影


        随着光学技术的不断发展以上这些可以作为数据采集过程的一部分纳入反馈回路,来减少测量时间。 例如已有的用于全偏振控制的高质量自适应光学系统的开发应用。

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