偏振光学如何应用在生物医学中

 

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。

在光学相关应用中，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，这是因为对映体会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中，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，常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的变化。

特别是在显微镜和成像应用中，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，而对于薄组织样本，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对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论，这些形论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。尽管有些方法可能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高成本效益的方法，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。

思考

机器学习技术可进行图像自动分析和潜在疾病的诊断，这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；但使用深度学习和极化测量技术，将获得更高的有效成像分辨率，并提高偏振测量数据的质量，同时还会抑制在实验中伪影引起的误差。

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。

编辑：黄飞