偏振光學(xué)如何應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)中

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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)是一個非常重要的性質(zhì)，因為光與物質(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行光學(xué)吸收實驗，會產(chǎn)生不同的結(jié)果。

對于分子，當(dāng)用線偏振光記錄時，兩個對映體的吸收光譜相同；但用圓偏振光，兩者表現(xiàn)不同，這是因為對映體會優(yōu)先吸收圓偏振光的單手性。由此原理，可以檢驗樣品的圓二色性。

在生物醫(yī)學(xué)成像實驗中，常通過偏振控制來抑制目標區(qū)域外的信號，例如組織附近的散射信號。散射光中通常會引起一定程度的去偏振，因此偏振器可認為是濾波器，用來減少不必要的散射，達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。實驗中需要改變偏振態(tài)時，常使用安裝在旋轉(zhuǎn)座架上的波片。

波片將通過在偏振分量之間引入相位延遲來旋轉(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。

偏振測量技術(shù)

在成像實驗中，有幾種不同的實驗方案可以用來提取偏振信息。散射抑制方法通常用于大塊組織樣本，而對于薄組織樣本，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)偏振成像可用于對多種類型的癌癥診斷，以及對組織樣本的纖維化階段進行量化。

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，這些形論反過來又可以幫助預(yù)測偏振數(shù)據(jù)中的特征或解釋它們。

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

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

思考

機器學(xué)習(xí)技術(shù)可進行圖像自動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。將圖像自動識別應(yīng)用于光學(xué)測量設(shè)備，可以減少在實驗室進行活組織檢查或樣品分析的步驟，這會為臨床決策提供更及時和更多的信息。

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

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)采集過程的一部分納入反饋回路，來減少測量時間。?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)的開發(fā)應(yīng)用。

編輯：黃飛

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