偏振光學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

光是一種電磁波，它可以以各種偏振態(tài)存在，包括線性、圓形和橢圓形，它們以振蕩電場(chǎng)電磁波分量的不同形式存在。

在光學(xué)相關(guān)應(yīng)用中，光的偏振態(tài)是一個(gè)非常重要的性質(zhì)，因?yàn)楣馀c物質(zhì)的相互作用取決于入射的偏振態(tài)。例如，在分子系統(tǒng)上用線偏振光或圓偏振光進(jìn)行光學(xué)吸收實(shí)驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。

對(duì)于分子，當(dāng)用線偏振光記錄時(shí)，兩個(gè)對(duì)映體的吸收光譜相同；但用圓偏振光，兩者表現(xiàn)不同，這是因?yàn)閷?duì)映體會(huì)優(yōu)先吸收?qǐng)A偏振光的單手性。由此原理，可以檢驗(yàn)樣品的圓二色性。

在生物醫(yī)學(xué)成像實(shí)驗(yàn)中，常通過(guò)偏振控制來(lái)抑制目標(biāo)區(qū)域外的信號(hào)，例如組織附近的散射信號(hào)。散射光中通常會(huì)引起一定程度的去偏振，因此偏振器可認(rèn)為是濾波器，用來(lái)減少不必要的散射，達(dá)到提高圖像的信噪比的目的。

偏振光學(xué)

偏振控制的關(guān)鍵是偏振光學(xué)器件的使用。有幾種用于光學(xué)控制的光學(xué)元件，包括用于制造偏振器的光學(xué)活性晶體或二向色性材料。實(shí)驗(yàn)中需要改變偏振態(tài)時(shí)，常使用安裝在旋轉(zhuǎn)座架上的波片。

波片將通過(guò)在偏振分量之間引入相位延遲來(lái)旋轉(zhuǎn)入射光的偏振。波片通常是由雙折射材料制成的。最常見(jiàn)的延遲規(guī)范是λ/4，它可以根據(jù)入射線偏振光的入射偏振角產(chǎn)生圓偏振態(tài)或橢圓偏振態(tài)，反之亦然；或者λ/2，用于線偏振光偏振軸的旋轉(zhuǎn)。波片還能夠?qū)崿F(xiàn)另一種偏振控制方法，并能實(shí)現(xiàn)一系列不同相位的變化。

特別是在顯微鏡和成像應(yīng)用中，偏振控制通常用于散射抑制，偏振信息也可用于提取樣品的附加信息。

偏振測(cè)量技術(shù)

在成像實(shí)驗(yàn)中，有幾種不同的實(shí)驗(yàn)方案可以用來(lái)提取偏振信息。散射抑制方法通常用于大塊組織樣本，而對(duì)于薄組織樣本，可以利用偏振信息區(qū)分不同疾病的圖像特征，例如可以區(qū)分極為相似的克羅恩病和結(jié)核病圖像特征。生物醫(yī)學(xué)偏振成像可用于對(duì)多種類型的癌癥診斷，以及對(duì)組織樣本的纖維化階段進(jìn)行量化。

光的偏振可看作是一種矢量屬性，而與之相互作用的系統(tǒng)也可以看作是矢量信息，這些信息可用來(lái)描述系統(tǒng)之間的相互作用。這就需要使用一系列的形式論，這些形論反過(guò)來(lái)又可以幫助預(yù)測(cè)偏振數(shù)據(jù)中的特征或解釋它們。

根據(jù)所涉生物系統(tǒng)是否在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷快速交換過(guò)程，或者時(shí)間平均圖像是可以接受的描述，亦或可以使用單次激發(fā)或時(shí)間序列偏振測(cè)量。盡管有些方法可能恢復(fù)全部的偏振信息，但更有更簡(jiǎn)單直接的實(shí)驗(yàn)可以恢復(fù)其中部分信息。

雖然旋轉(zhuǎn)偏振器是進(jìn)行許多此類測(cè)量的高成本效益的方法，但現(xiàn)在有了更先進(jìn)的技術(shù)，例如鐵電液晶或空間光調(diào)制器，這些技術(shù)也提供了快速信號(hào)調(diào)制的方法，這可以減少臨床應(yīng)用中的重要測(cè)量時(shí)間。

思考

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可進(jìn)行圖像自動(dòng)分析和潛在疾病的診斷，這在生物醫(yī)學(xué)和臨床成像中應(yīng)用前景廣闊。將圖像自動(dòng)識(shí)別應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量設(shè)備，可以減少在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行活組織檢查或樣品分析的步驟，這會(huì)為臨床決策提供更及時(shí)和更多的信息。

成像儀器調(diào)試時(shí)，往往在空間分辨率和掃描時(shí)間之間有一個(gè)取舍平衡；但使用深度學(xué)習(xí)和極化測(cè)量技術(shù)，將獲得更高的有效成像分辨率，并提高偏振測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)抑制在實(shí)驗(yàn)中偽影引起的誤差。

隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以上這些可以作為數(shù)據(jù)采集過(guò)程的一部分納入反饋回路，來(lái)減少測(cè)量時(shí)間。例如已有的用于全偏振控制的高質(zhì)量自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩