Abstrakt
Bedeutung: Biologische Gewebe sind typischerweise durch eine hohe anisotrope Streuung gekennzeichnet und können auch eine lineare Doppelbrechung aufweisen. Sowohl Streuung als auch Doppelbrechung beeinflussen die Phasenverschiebung zwischen transversalen elektrischen Feldkomponenten von polarisiertem Licht. Diese Phasenänderungen sind mit bestimmten strukturellen Missbildungen im Gewebe verbunden. Tatsächlich ist die Mehrheit der auf Polarisation basierenden Techniken nicht in der Lage, die Art der Phasenverschiebung zu unterscheiden, die durch Doppelbrechung oder Lichtstreuung induziert wird.
Ziel: Wir untersuchen die unterschiedlichen Beiträge von Streuung und Doppelbrechung bei der Phasenverzögerung von zirkular polarisiertem Licht, das sich in trübem gewebeartigem Streumedium ausbreitet.
Ansatz: Das zirkular polarisierte Licht im Rahmen des Stokes-Polarimetrie-Ansatzes wird zum Screening von Biotissue-Phantomen und Hühnerhautproben verwendet. Die Änderung der optischen Eigenschaften in der Hühnerhaut wird durch optisches Löschen erreicht, wodurch die Streuung verringert wird, und durch mechanische Dehnung, die Doppelbrechung induziert. Die Änderung der optischen Eigenschaften von Hautgewebe wird durch spektrophotometrische Messungen und Bildgebung der Erzeugung der zweiten Harmonischen bestätigt.
Ergebnisse: Die Beiträge von Streuung und Doppelbrechung zur Phasenverzögerung von zirkular polarisiertem Licht, das sich in biologischen Geweben ausbreitet, werden durch den Ort des Stokes-Vektors unterschieden, der auf der Poincaré-Kugel abgebildet ist. Die Phasenverzögerung von zirkular polarisiertem Licht aufgrund von Streuungsänderungen wird bewertet. Der Wert der Doppelbrechung in Hühnerhaut wird auf 0,3 × 10 geschätzt – 3 , was mit alternativen Studien übereinstimmt. Die Änderung der Doppelbrechung des Hautgewebes aufgrund mechanischer Dehnung in der Größenordnung von 10 – 6 ist angeschlossen.
Schlussfolgerungen: Während die polarimetrischen Parameter allein keine Unterscheidung der Beiträge von Streuung und Doppelbrechung erlauben, zeigt die resultierende Stokes-Vektorbahn auf der Poincaré-Kugel die Rolle von Streuung und Doppelbrechung bei der Gesamtphasenverzögerung. Der beschriebene Ansatz, der unabhängig oder in Kombination mit der Müller-Polarimetrie angewendet wird, kann für die fortgeschrittene Charakterisierung verschiedener Arten von Missbildungen in biologischen Geweben von Vorteil sein.
1.
Einführung
Die Verwendung von polarisiertem Licht in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen hat in den letzten Jahren rasant zugenommen.1 Die Vorteile polarisationsbasierter Diagnosemodalitäten gegenüber den herkömmlichen optischen Techniken sowie die Merkmale und Herausforderungen der Charakterisierung biologischer Gewebe unter Verwendung des sogenannten optischen Polarisationsfingerabdrucks sind an anderer Stelle ausführlich beschrieben.2 – – 5 Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wird das polarisierte Licht häufig als beträchtliche Ergänzung zu einer Reihe herkömmlicher Diagnose- und Bildgebungstechniken verwendet. Dieser Zusatz liefert wertvolle Einblicke in die morphologische Struktur eines Biotissues. Die Beispiele sind polarisationsempfindliche optische Kohärenztomographie, 6 polarisationsempfindliche hyperspektrale Bildgebung, 7 Polarimetrie der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), 8 polarisationsempfindliche Mikroskopie, 9 und andere.
Der feldbasierte Jones-Vektor-Formalismus und der intensitätsbasierte Stokes-Mueller-Kalkül sind die beiden wichtigsten mathematischen Ansätze, die den Polarisationszustand von Licht definieren und die Wechselwirkung von polarisiertem Licht mit Medien beschreiben.10 Für verschiedene biomedizinische Anwendungen wurde eine Reihe innovativer polarisationsbasierter Modalitäten entwickelt, die physikalisch messbare Stokes-Mueller-Parameter verwenden, z. B. die Mueller-Matrix-Polarimetrie.11 – – 14 Dieser Ansatz ermöglicht es, eine vollständige 4 × 4-Müller-Matrix der Probe zu erhalten, die vollständige polarimetrische Informationen der untersuchten Probe enthält. Die Müller-Matrix-Polarimetrie zeigt vielversprechende Ergebnisse, insbesondere beim Screening von Krebsgewebe15 – – 18 und Charakterisierung anderer trüber gewebeartiger Streumedien.19 – – 21 Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Verwendung von zirkular polarisiertem Licht im Rahmen des Stokes-Vektor-Polarimetrie-Ansatzes, ergänzt durch die Verwendung der Poincaré-Kugel als quantitatives grafisches Werkzeug, ein hohes Potenzial für die Gewebecharakterisierung und Bewertung der Krebsaggressivität aufweist.22 – – 27
In Bezug auf die optischen Eigenschaften sind biologische Gewebe neben der Absorption durch Streuung (typischerweise in der Größenordnung von zehn mm – 1 für sichtbares Licht) und hohe Anisotropie der Streuung (g ~ 0,8) gekennzeichnet.28 Zusätzlich zur Lichtstreuung weisen biologische Gewebe aufgrund der heterogenen Faserstruktur häufig eine lineare Doppelbrechung auf, die eine messbare Größe ist. Seine Veränderungen können als Maß für bestimmte strukturelle Anomalien biologischer Gewebe dienen.29 Tatsächlich können sowohl Streuung als auch Doppelbrechung eine Phasenverschiebung zwischen elektrischen Feldkomponenten des Feldvektors von polarisiertem Licht während seiner Ausbreitung innerhalb des biologischen Mediums bewirken. Beispiele für solche Gewebe, Knorpel 30 oder Sehne, 31 aufgrund linear geordneter Strukturen eine ausreichende Formdoppelbrechung aufweisen, 4 und die Abnormalitäten der Struktur können ziemlich leicht erkannt werden. Im Gegenteil, Hautkollagenfasern zeichnen sich durch willkürliche Orientierung aus, 32 , 33 Dies macht den Doppelbrechungsbeitrag zur Phasenverschiebung zwischen elektrischen Feldkomponenten von polarisiertem Licht im Vergleich zur Streuung sehr gering. Dies stellt eine Herausforderung dar, Doppelbrechung in der Haut zu unterscheiden und ihre Veränderungen aufgrund möglicher struktureller Anomalien des Gewebes zu analysieren. Daher ist es im Rahmen der Müller-Matrix-Polarimetrie nicht möglich, die Phasenverschiebung zwischen transversalen elektrischen Feldkomponenten, die aufgrund von Doppelbrechung auftreten, von einer Phasenverschiebung zu unterscheiden, die aufgrund von Lichtstreuung stattfindet. Das Ziel der aktuellen Studie ist es zu untersuchen, wie die Variationen von Doppelbrechung und Streuung zur Gesamtphasenverzögerung von zirkular polarisiertem Licht beitragen, das sich in trübem gewebeartigem Streumedium wie Haut ausbreitet. Wir wenden laserbasierte Stokes-Vektorpolarimetrie mit zirkular polarisierter Beleuchtung an. 22 Dies ist ein robuster und kostengünstigerer Ansatz für die Gewebecharakterisierung als die Müller-Matrix-Polarimetrie. Dieser Laser-Scanning-Imaging-Ansatz gewährleistet eine bessere Kontrolle der Lichtlokalisierung innerhalb der Gewebeprobe. Die Vorteile von zirkular polarisiertem Licht umfassen Richtungsbewusstsein, 34 – – 37 dh der Helizitätswechsel bei Rückstreuung und Helizitätserhaltung für die Vorwärtsstreuung. Dieses Phänomen, bekannt als Polarisationsspeicher von zirkular polarisiertem Licht, 34 , 35 , 38 ist von grundlegender Bedeutung. Die lineare Polarisation besitzt keinen solchen Sinn für die Richtung, in die sich Licht bewegt.
Um die Veränderungen der Phasenverschiebung zwischen transversalen Komponenten von zirkular polarisiertem Licht aufgrund von Streuung und Doppelbrechung systematisch zu untersuchen, verwenden wir sowohl die Phantome von selbst hergestellten biologischen Geweben als auch Gewebeproben. Die Hühnerhaut wurde aufgrund des Vorhandenseins sowohl der Form als auch der intrinsischen Doppelbrechung, die Kollagen innewohnt, als Beispiel für biologisches Gewebe ausgewählt 39 , 40 sowie Streuung.
2.
Methoden und Materialien
2.1.
Experimentelles System
Im experimentellen System ( Abb. 1 ) im eigenen Haus entwickelt, wurde das von einer Laserquelle (640 nm, Edmund Optics) erzeugte linear polarisierte Licht durch Halbwellen- und Viertelwellenplatten in die rechte Zirkularpolarisation umgewandelt. Das rechtszirkular polarisierte Licht wurde mit einer Objektivlinse unter einem Winkel von 55 ° auf die Probe fokussiert. Die Probe wurde auf die XY-Translationsstufe gebracht. Das rückgestreute Licht wurde mit einer Objektivlinse in einem Winkel von 30 ° in einem variablen Abstand LSD vom Einfallspunkt gesammelt, mit einer 100 & mgr; m-Iris vignettiert und sein Polarisationszustand mit dem Stokes-Vektorpolarimeter (Thorlabs) analysiert bestand aus einer rotierenden Viertelwellenplatte, einem Polarisator und einem Leistungsmesser. Der Durchmesser des einfallenden fokussierten Laserstrahls di betrug ~ 15 um [gemessen mit einem Laserstrahlprofiler (BeamMaster BM-7, Coherent)]. Das Sichtfeld der Objektivlinse im Detektionsarm dd betrug 50 um. Die gemessenen Stokes-Vektoren wurden unter Verwendung der Poincaré-Kugel als grafisches Werkzeug analysiert.22 , 26 , 27 , 41 Im Abb. 1 Zwei Poincaré-Kugeln zeigen jeweils die Position des Stokes-Vektors des einfallenden rechts zirkular polarisierten Lichts (Kugel links) und seine relativen Änderungen bei Wechselwirkung mit der Medium- / Gewebeprobe (Kugel rechts). Das beschriebene experimentelle System wurde in früheren Studien ausgiebig verwendet. 22 , 23 , 25
2.2.
Experimentelle Protokolle
Um die Beiträge von Streuung und Doppelbrechung zur Phasenverzögerung von zirkular polarisiertem Licht zu untersuchen, wurde eine Reihe von Experimenten mit Phantomen und biologischen Geweben durchgeführt, die Biotissue nachahmen.
2.2.1.
Modellexperimente
Variation der Quelle-Detektor-Trennung . Um den Einfluss der Quelle-Detektor-Trennung LSD auf den Polarisationszustand des von einem trüben gewebeartigen Streumedium gestreuten Lichts zu bestätigen, wurde ein Experiment mit Variation der Quelle-Detektor-Trennung unter Verwendung eines Gewebephantoms durchgeführt. Der Polarisationszustand des vom Phantom gestreuten Lichts (μs = 6 mm – 1, g ~ 0,8 und Dicke = 8 mm) wurde mit unterschiedlichen Source-Detektor-Abständen (–0,05 mm ≤ LSD ≤ 0,7 mm) gemessen. Der Wert von LSD wurde vom geschätzten Nullpunkt aus gemessen, der der Ort des Zusammentreffens der Brennpunkte der Beleuchtungs- und Erfassungsarme war, was der höchsten Intensität auf dem Detektor entsprach. Der Zufallspunkt wurde als LSD = 0 eingestellt; Eine weitere Konvergenz von Quelle und Detektor wurde als negative LSD angesehen, während ihre Trennung als positive LSD angesehen wurde.
Gewebe nachahmende Phantome mit den bestätigten optischen Eigenschaften bei bestimmten Wellenlängen wurden im eigenen Haus aus Polyvinylchlorid-Plastisol (MF Manufacturing Co.) hergestellt, einer weißen undurchsichtigen Fettlösung von Monomeren, die polymerisiert und bei hohen Temperaturen transparent wird. ZnO-Partikel (Sigma-Aldrich, Deutschland) wurden verwendet, um Streuungseigenschaften nachzuahmen, die auf der Grundlage der Konzentration und Größenverteilung bewertet wurden, die aus der Raster- / Transmissionselektronenmikroskopie erhalten wurden. Das Herstellungsverfahren wurde an anderer Stelle beschrieben. 42 , 43 Die hergestellten Phantome wurden auf Glasobjektträgern bei Raumtemperatur gelagert, die vor direktem Licht geschützt waren. Die Streueigenschaften der Gewebephantome wurden mit den Standardmessungen der kollimierten Durchlässigkeit, der Gesamtdurchlässigkeit und des Gesamtreflexionsvermögens bestätigt 43 , 44 unter Verwendung des spektrophotometrischen Systems, das mit integrierenden Kugeln OL-750 (Optronic Laboratories) im Spektralbereich von 600 bis 700 nm ausgestattet ist. Die Dicke der Proben wurde mit dem optischen Kohärenztomographen (Hyperion, Thorlabs) gemessen, während der Brechungsindex mit dem Abbe-Refraktometer (DR-M2 1550, Atago, Japan) geschätzt wurde.
Änderung der Phase von zirkular polarisiertem Licht aufgrund von Streuung und Doppelbrechung . In den Modellexperimenten wurde die Änderung der Streuung durch Verwendung von Gewebephantomen mit unterschiedlichen Streukoeffizienten (μs = 4 und 8 mm – 1, g ~ 0,8, Dicke = 1 mm) erreicht, während die durch Doppelbrechung auftretende Phasenänderung durch Hinzufügen von a nachgeahmt wurde variable Phasenverschiebung in einfallende Beleuchtung unter Verwendung der Halbwellenplatte (siehe Abb. 1 ). Experimente wurden mit LSD = 1,5 mm durchgeführt. Um die Phasenänderungen aufgrund von Doppelbrechung in Abwesenheit von Streuung zu demonstrieren, wurde ein einfaches Experiment mit einem als Probe verwendeten Spiegel durchgeführt (LSD = 0 mm und μs = 0 mm – 1; die Einfallswinkel und Detektionswinkel wurden geändert, um Reflexion vom Spiegel erkennen).
2.2.2.
Unterscheidung von Streuung und Doppelbrechung bei Phasenänderungen mit Hühnerhaut
Um die Beiträge von Streuung und Doppelbrechung bei der Phasenverzögerung von polarisiertem Licht, das sich durch die Hühnerhaut ausbreitet, zu unterscheiden, wird eine optische Klärung durchgeführt 45 , 46 wurde verwendet, um Streuung zu unterdrücken, während Doppelbrechung durch mechanische Dehnung induziert wurde. Eine getrennte Messung der Streueigenschaften des Hühnerhautgewebes mit und ohne Klärung wurde unter Verwendung des spektrophotometrischen Systems durchgeführt, wie in Kap. 2.2.1 . Die optische Klärung wurde durchgeführt, indem 40% ige Glycerinlösung 1 Stunde lang in Wasser aufgetragen wurde. Die Ausrichtung der Kollagenfasern in optisch geklärter Hühnerhaut infolge mechanischer Dehnung wurde durch die SHG-Bildgebung unter Verwendung eines Standard-Multiphotonenmikroskops (A1R MP +, Nikon) separat validiert. Die Bildgebung wurde unter Verwendung eines CFI Plan Apochromat 10 × G-Glyc-Objektivs (korrigiert um Wasser und Glycerin) durchgeführt, das in eine 40% ige Glycerin-Wasser-Lösung ohne Deckglas eingetaucht war.
Basierend auf den in den Modellexperimenten und der SHG-Bildgebung von Kollagenfasern in Hühnerhaut gewonnenen Erkenntnissen wurden dreistufige Experimente mit Hühnerhautproben durchgeführt. Die Hühnerhautprobe (Größe ~ 2,5 × 6,5 cm²) wurde aus einem Hühnerschenkel herausgeschnitten und mit der Innenseite der Haut nach oben auf einen Probenhalter gelegt. Um die Streuung auf der Rauheit der Haut und Oberflächenverunreinigungen auszuschließen, die durch Flocken und / oder Fraktionen restlicher Federfollikel verursacht wurden, wurden die Proben der Hühnerhaut von der Innenseite gemessen. Das räumliche Scannen der Gewebeprobe wurde an der 2 × 2 mm 2 Oberfläche mit einem Schritt von 200 & mgr; m durchgeführt. Die Messung an jedem Abtastpunkt betrug durchschnittlich 10 Messungen. In der ersten Stufe wurde die Probe unter normalen Bedingungen 30 Minuten lang intakt gelassen, um das Feuchtigkeitsniveau auf der Oberfläche der frisch ausgeschnittenen Probe zu verringern. Ferner wurde das optische Reinigungsmittel (40% ige Glycerin-Wasser-Lösung) topisch auf die Oberfläche der Probe aufgetragen. Nach 60 Minuten optischer Klärung wurde die optische Klärprobe entlang der Ebene des Lichteinfalls allmählich mit der mechanischen Dehnung (bis zu 1,5 N) beaufschlagt. Die mechanische Dehnung wurde unter Verwendung der Gravitationskraft und eines Systems von Riemenscheiben auf das kurze Ende der Probe aufgebracht. Während des Experiments wurde keine zusätzliche Ausrichtung der Probe durchgeführt, um die Polarisationsänderung in Echtzeit während aller drei Phasen des Experiments ohne äußeren Einfluss aufzuzeichnen. Die Messungen wurden alle 5 Minuten durchgeführt; Die gemessenen Stokes-Vektoren wurden über den gesamten Scanbereich gemittelt und ihre zeitlichen Änderungen wurden analysiert.
3.
Resultate und Diskussion
3.1.
Modellexperimente: Variation der Quelle-Detektor-Trennung
In dem Experiment mit Variation der Quelle-Detektor-Trennung LSD wurden die Stokes-Vektoren des von einem Gewebephantom gestreuten Lichts bei verschiedenen LSD gemessen. Die Ergebnisse des Experiments sind in dargestellt Abb. 2 :: (a) Polarisationsgrad (DoP), (b) V Stokes-Parameter, (c) Stokes-Vektoren, die in Bezug auf die DoP auf der Poincaré-Kugel abgebildet sind. Im Panel (c) entsprechen die Radien der äußeren (grau) und inneren (lila) Kugel 100% bzw. 15%. Die Polarisation des einfallenden Lichts, 100% rechts zirkular (Stokes-Vektor[1;0;0;1] ) befindet sich am Nordpol auf der Oberfläche der äußeren Poincaré-Kugel. Die schwarzen Linien, die den Ursprung mit den Spitzen der Stokes-Vektoren verbinden, entsprechen dem DoP. Video 1 (mp4, 4 MB) zeigt die Poincaré-Kugel, die sich um die V-Achse dreht, um die Positionen der Stokes-Vektorspitzen innerhalb der Poincaré-Kugel besser zu verstehen.
3.2.
Modellexperimente: Phasenänderungen aufgrund von Streuung und Doppelbrechung
Um Änderungen der Phase von zirkular polarisiertem Licht aufgrund von Änderungen der Streuung und Doppelbrechung zu untersuchen, wurden Experimente mit einem Spiegel (keine Streuung) und zwei Streuphantomen durchgeführt. Der Polarisationszustand des vom Spiegel reflektierten und von den Phantomen mit unterschiedlichen Streukoeffizienten (μs = 4 und 8 mm – 1) zurückgestreuten Lichts ist in gezeigt Abb. 3 :: (a) V Stokes-Parameter, (b) DoP und (c) Stokes-Vektoren, die in Bezug auf die DoP auf der Poincaré-Kugel abgebildet sind. Die Polarisation des einfallenden Lichts, rechts kreisförmig, entspricht dem Nordpol auf der Poincaré-Kugel und der 90-Grad-Phasenverzögerung zwischen orthogonalen Polarisationskomponenten. Video 2 (mp4, 4 MB) zeigt die Poincaré-Kugel aus Tafel (c), die sich um die V-Stokes-Achse dreht, um die Position der Stokes-Vektoren innerhalb der Poincaré-Kugel besser zu verstehen.
3.3.
Beiträge von Streuung und Doppelbrechung bei in Hühnerhaut beobachteten Phasenänderungen
In den Experimenten mit Hühnerhaut wurde die Streuung durch optisches Löschen verringert, während die Doppelbrechung der Form durch Aufbringen einer mechanischen Dehnung auf die Hühnerhautprobe induziert wurde. Eine unabhängige Messung der optischen Eigenschaften von Hühnerhautgewebe mit und ohne optische Klärung unter Verwendung eines spektrophotometrischen Systems43 , 44 hat gezeigt, dass nach der optischen Reinigung der Streukoeffizient von Hühnerhaut-μs um 30% (von 13 auf 9 mm – 1) abgenommen hat, während der Anisotropiefaktor g um 18% (von 0,8 auf 0,95) gestiegen ist.
Die Ausrichtung der Kollagenfasern in der optisch geklärten Hühnerhautprobe aufgrund mechanischer Dehnung wurde unter Verwendung der SHG-Bildgebung validiert. Figur 4 veranschaulicht die SHG-Bildgebung von Kollagenfasern von ungefähr demselben Bereich der Probe, der durch unterschiedliche Dehnungsgrade beeinflusst wird: (a) keine Dehnung, (b) Streckkraft von 0,74 N und (c) Streckkraft von 1,35 N. Wie man in sehen kann Feige. 4 (a)das Kollagenbündel ohne aufgebrachte Dehnung wurde dispergiert; Nach 0,74 N Dehnung wurde es jedoch stärker ausgerichtet und das SHG-Signal wurde heller [siehe Feige. 4 (b)]; nach 1,35 N Dehnung wurde diese Tendenz deutlicher [siehe Feige. 4 (c)]. Der höhere Kontrast der Fasern bei höheren Dehnungsgraden in SHG-Bildern korreliert mit dem stärkeren SHG-Signal und zeigt zusätzlich die höhere Ausrichtung der Fasern an. Die Richtung der Faserausrichtung stimmte mit der Richtung der ausgeübten Streckkraft überein.
Nach den Ergebnissen von Modellexperimenten und spektrophotometrischen und SHG-Messungen von Hühnerhaut wurden die dreistufigen Experimente mit Proben von Hühnerhaut durchgeführt. Die Änderungen des Polarisationszustands des in der Hühnerhautprobe ausgebreiteten Lichts, das 30 Minuten lang unter normalen Bedingungen gehalten wird (Trocknen) und durch optische Klärung während 1 Stunde und mechanische Dehnung (bis zu 1,5 N) beeinflusst werden, sind in dargestellt Abb. 5 . Panels (a) und (b) zeitliche Änderungen des DoP- und V-Stokes-Parameters zeigen; Panel (c) zeigt die Flugbahn des gemessenen Stokes-Vektors, der auf der Poincaré-Kugel abgebildet ist: innere (gelb) und äußere (blau) Kugeln entsprechen 15% bzw. 80% DoP; Panel (d) zeigt eine vergrößerte Ansicht der Stokes-Vektorspur, die auf der Poincaré-Kugel abgebildet ist; Panel (e) zeigt genau die Datenpunkte, die der Dehnung entsprechen. Jeder der Datenpunkte entspricht dem über die Abtastfläche gemittelten Wert der Stokes-Vektorkomponente (2 × 2 mm2, 200-μm-Schritt, 10 Messungen bei jedem Schritt), und die Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung. Einzelheiten zu den Q- und U-Stokes-Vektorkomponenten finden Sie in Abb. S1 in der Ergänzungsmaterial .
Nach den Ergebnissen von Experimenten mit Variation der Quelle-Detektor-Trennung (Kap. 3.1 ) wurde der LSD auf 0,3 mm eingestellt, da dies der größte Trennungswert war, der ausreichend DoP lieferte (mindestens 40%). Zu Beginn des Experiments war ausreichend DoP erforderlich, da das Versuchsprotokoll keine zusätzliche Ausrichtung der Probe während der Messungen erlaubte, um die Echtzeit-Polarisationsänderung ohne externen Einfluss aufzuzeichnen. Änderungen des Stokes-Vektors, während der DoP unter 20% lag, wurden nicht als zuverlässig angesehen.
Wie man sehen kann Feige. 5 (a)betrug der DoP zu Beginn des Experiments ~ 40%. Der Trocknungsprozess verursachte ein Wachstum des DoP von bis zu 50%, was wahrscheinlich auf die Verringerung der Streuung der Gewebeprobe aufgrund ihres Schrumpfens zurückzuführen war.51 Sobald das optische Reinigungsmittel topisch auf das Hautgewebe aufgetragen wurde, fiel der DoP aufgrund der Anpassung des Brechungsindex auf der Oberfläche des Mediums und der Aktivierung des Aufpralls von Photonen mit längeren Weglängen im Gewebe auf das gemessene Signal signifikant ab.52 Während des optischen Löschens wuchs der DoP exponentiell auf 80%, bis er sich in der 80. Minute des Experiments nicht mehr änderte. Die anschließende Anwendung der mechanischen Dehnung führte zu keiner ausreichenden Änderung des DoP, was mit den Ergebnissen der Modellexperimente korreliert (Kap. 3.2 ), da sich die mechanische Dehnung vor dem Hintergrund der unterdrückten Streuung vorwiegend doppelbrechend änderte.
Die Änderungen des V Stokes-Parameters werden in angezeigt Feige. 5 (b). Wie man sehen kann, war zu Beginn der Messungen der Polarisationszustand von mehrfach gestreutem Licht nahezu linear, was bedeutet, dass die detektierten Teile des Lichts mit links- und rechtshändigen Helizitäten nahezu gleich waren. Der Trocknungsprozess führte zu einem stetigen Abfall des V Stokes-Parameters, gefolgt von einem Sprung in dem Moment, in dem das optische Reinigungsmittel aufgetragen wurde. Die Diffusion des optischen Klärmittels in das Hautgewebe verursachte eine Verringerung der Streuung mit dem exponentiellen Abfall des V Stokes-Parameters, bis es in der 80. Minute des Experiments asymptotisch wurde. Die mechanische Dehnung führte zu einer Veränderung der Doppelbrechung in der Probe, die sich in der Erneuerung des Zerfalls des V-Stokes-Parameters manifestierte [Feigen 5 (c)– – 5 (e) ]. Dies korreliert mit den in den Modellexperimenten beobachteten Stokes-Vektorspuren (Kap. 3.2 ) in kleinerem Maßstab, da die Doppelbrechung der Probe gering ist.
Die Änderung des V-Stokes-Parameters in der dritten Stufe des Experiments wurde durch die Tatsache verursacht, dass die mechanische Dehnung anfänglich dispergierte Kollagenfasern in einer Hauptrichtung ausrichtete und eine Doppelbrechung der Form induzierte. Die linear ausgerichtete Struktur von Kollagenfasern in der Haut könnte als ein System langer dielektrischer Zylinder betrachtet werden, das durch den Unterschied im effektiven Brechungsindex (Δn) für das entlang und senkrecht zu den Zylindern im Modell polarisierte Licht gekennzeichnet ist.4 Dies zeigt an, dass die durch die mechanische Dehnung induzierte Doppelbrechung den Polarisationszustand des von der Gewebeprobe gestreuten Lichts beeinflusste. Da die Polarisation des einfallenden Lichts zirkulär war, enthielt sie die gleichen Teile des Lichts, die in parallelen und senkrechten Richtungen in Bezug auf die optische Achse der Kollagenfaserstruktur polarisiert waren. Die Verzögerung einer dieser Polarisationskomponenten beeinflusste die Elliptizität der resultierenden Polarisation, wodurch sich der Wert der VStokes-Vektorkomponente änderte.
Obwohl in 2D-Grafiken in Feigen 5 (a) und 5 (b) Änderungen aufgrund mechanischer Dehnung erscheinen nicht signifikant. Die Abbildung des Stokes-Vektors auf die Poincaré-Kugel ermöglicht die Identifizierung der Art dieser Änderungen [Feigen 5 (c)– – 5 (e) ] und Unterscheiden von Änderungen des Stokes-Vektors aufgrund von Streuungsschwankungen. Somit manifestieren sich die Änderungen des Stokes-Vektors, die mit dem Trocknen und dem optischen Löschen des Biotuchs verbunden sind, als eine Verschiebung auf der Poincaré-Kugel nach unten, begleitet von der Zunahme der Größe des Stokes-Vektors aufgrund gleichzeitiger Änderungen des V-Stokes-Parameters und des DoP [Feigen 5 (c) und 5 (d) ], während die Änderung des Stokes-Vektors aufgrund einer Änderung der Doppelbrechung als Verschiebung auf der Oberfläche der Poincaré-Kugel beobachtet wird, wobei die Größe des Vektors erhalten bleibt [siehe Feige. 5 (e)]. Wie man sehen kann, gehören die roten Datenpunkte zur Oberfläche derselben Kugel, während sich die Richtung der Änderungen des Polarisationszustands aufgrund der optischen Klärung (nach unten und zur Oberfläche der äußeren Kugel hin) ausreichend von der Richtung aufgrund der Dehnung unterscheidet [ entlang des Radius der äußeren Kugel, siehe Feige. 5 (e)]. Diese Ergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen der Modellexperimente in Kap. 3.2 .
Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass sich die relative Phase δ zwischen zwei orthogonalen Polarisationskomponenten des elektrischen Feldes des einfallenden zirkular polarisierten Lichts infolge des Trocknens um das 30-fache aufgrund der optischen Klärung um das 4,5-fache und aufgrund der mechanischen um 1,3% geändert hat strecken. Änderungen der Phasenverzögerung während des Trocknens und des optischen Löschens werden auf die Variation der Streuung zurückgeführt. Da die Streuung durch das optische Löschen signifikant verringert wurde, führte die Anwendung mechanischer Dehnung zu einer Phasenverzögerung, die insbesondere mit der in der Probe induzierten Doppelbrechung verbunden war. Gemäß den erhaltenen Ergebnissen ist die Doppelbrechung (Δn = δλ / 2πl, wobei λ die Wellenlänge und l die Photonenpfadlänge innerhalb des Gewebes bis zu 1 mm ist 53 ) für die Hühnerhautprobe wird auf 0,3 × 10−3 geschätzt. Das Ergebnis stimmt gut mit den Ergebnissen alternativer Studien überein. 4 Die Gesamtänderung des Doppelbrechungswerts während der mechanischen Dehnung (| Δn1 – Δn2 | = Δδ⋅λ / 2πl, wobei Δδ die Änderung der relativen Phase ist) wird auf 3,7 × 10−6 geschätzt. Tatsächlich überwiegt der Einfluss der Streuung auf das DoP und die Phasenänderung signifikant die Phasenverschiebung aufgrund der Doppelbrechung. Daher ist es unter normalen Bedingungen fast unmöglich, die Phasenänderungen aufgrund von Doppelbrechung in der Haut zu beobachten. In unserem Fall konnten wir sie mit einer Verringerung der Streuung unter Verwendung von optischem Löschen und mit einer Verbesserung der Doppelbrechung durch Strecken beobachten und bewerten.
Somit sind die Richtungsänderungen des V Stokes-Parameters und des DoP [siehe Feigen 5 (a) und 5 (b) ] sind jeweils mit den Änderungen der Anisotropie der Streuung von zirkular polarisiertem Licht und den Änderungen der Streuung und Totalreflexion an der Mediumgrenze aufgrund optischer Klärung verbunden. Der Einfluss der Streuung auf das zirkular polarisierte Licht wurde bereits ausführlich untersucht und bewertet.22 – – 24 , 54 , 55 Während der V-Stokes-Parameter und DoP allein keine nennenswerten Informationen hinsichtlich der Unterscheidung von Streu- und Doppelbrechungsbeiträgen liefern, ist die resultierende Stokes-Vektor-Trajektorie auf der Poincaré-Kugel [siehe Feige. 5 (c)] ermöglicht es, die Rolle von Streuung und Doppelbrechung bei der Gesamtphasenverzögerung aufzudecken.
4.
Zusammenfassung und Fazit
Die Studie konzentriert sich auf die Bewertung der isolierten Beiträge von Streuung und Doppelbrechung zur Gesamtphasenverzögerung des zirkular polarisierten Lichts, das sich durch das gewebeartige Streumedium ausbreitet. Mit Hilfe der Modellexperimente unter Verwendung von Gewebephantomen wurde der Einfluss der Quelle-Detektor-Trennung auf die polarimetrische Reaktion des Mediums nachgewiesen. Darüber hinaus wurde die Änderung der Phase von zirkular polarisiertem Licht aufgrund von Streuung und Doppelbrechung unter Verwendung von Gewebephantomen und Hühnerhautgewebe veranschaulicht. In den Experimenten mit Hühnerhaut wurde gefunden, dass sich die Phasenverzögerung zwischen zwei orthogonalen elektrischen Feldkomponenten des zirkular polarisierten Lichts, die mit Streuänderungen verbunden ist, während 30 Minuten Trocknen und um das 4,5-fache während 1 Stunde optischer Strahlung um ungefähr 30% geändert hat Klären unter Verwendung einer 40% igen Lösung von Glycerin in Wasser. Die mit der Änderung der Doppelbrechung verbundene Phasenverzögerung hat sich um 1,3% geändert, wenn eine mechanische Dehnung bis zu 1,5 N angewendet wurde. Die Abnahme der Gewebestreuung aufgrund der optischen Klärung erhöht den DoP um bis zu 80%, wodurch die Doppelbrechung auf dem Hintergrund der verbleibenden Streuung unterscheidbar wird. Somit wird die durch mechanische Dehnung induzierte Doppelbrechung als Verschiebung des Stokes-Vektors auf der Oberfläche der Poincaré-Kugel beobachtet, während sich die Verringerung der Streuung in der wachsenden Größe des Stokes-Vektors manifestiert, die mit Modellexperimenten validiert wurde. Die Gesamtänderung des Doppelbrechungswerts aufgrund mechanischer Dehnung wird auf 3,7 × 10 –6 geschätzt. Der Wert der Doppelbrechung in Hühnerhaut wird auf 0,3 × 10 –3 geschätzt, was gut mit den bekannten Literaturdaten übereinstimmt.4
So wurden die isolierten Beiträge von Streuung und Doppelbrechung bei der Phasenverzögerung von zirkular polarisiertem Licht, das sich in biologischen Geweben ausbreitet, mit Hilfe von gewebemimitierenden Phantomen und Hühnerhaut gezeigt in vitro unter Anwendung der optischen Reinigung und mechanischen Dehnung. Die Ausrichtung der Kollagenfasern in der Hühnerhaut aufgrund der Dehnung und damit der Induktion der Doppelbrechung wurde durch die SHG-Bildgebung validiert. Es wird vorgeschlagen, die Poincaré-Kugel als grafisches Werkzeug zur Beobachtung der Trajektorien des Stokes-Vektors zur anschließenden funktionellen (qualitativen) und quantitativen Charakterisierung von biologischen Geweben und trübem gewebeartigem Streumedium zu verwenden. Der beschriebene Ansatz kann für die fortgeschrittenere Charakterisierung verschiedener Arten von Missbildungen in biologischen Geweben von Vorteil sein, z. B. basierend auf der Kombination von Stokes-Vektor- und Müller-Matrix-Polarimetrie. Dies würde eine funktionelle quantitative Bewertung von phasenabhängigen Müller-Matrix-Elementen und deren Interpretation hinsichtlich der Phasenverzögerung zwischen den elektrischen Feldkomponenten aufgrund von Streuung und / oder Doppelbrechung ermöglichen.
Offenlegung
Die Autoren erklären, dass im Zusammenhang mit dieser Studie keine Interessenkonflikte bestehen.
Danksagung
Dieses Projekt wurde aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizont 2020“ der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Finanzhilfevereinbarung Nr. 713606, das von der EG im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung 777222, der Akademie von Finnland (Finanzhilfennummern: 314369 und 325097) finanzierte ATTRACT-Projekt, die strategische Finanzierung von INFOTECH, das MEPhI Academic Excellence Project (Vertragsnummer 02.a03.21.0005) und den Staat National Research Tomsk Akademisches DI Mendeleev-Fondsprogramm der Universität. Die Autoren danken Prof. Valery Tuchin und Prof. Alex Vitkin für kritische Kommentare und nützliche Diskussionen in der Phase der Papiervorbereitung.
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Biografie
Mariia Borovkova ist Doktorandin an der Universität von Oulu im Rahmen des I4Future-Doktorandenprogramms im Rahmen des Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiums. 2014 erhielt sie ihren BS-Abschluss in Photonik von der ITMO-Universität (St. Petersburg, Russland). Sie erhielt 2016 einen MS-Abschluss in Optik von der University of Rochester, Rochester, New York, USA und einen MS-Abschluss in Photonik von der ITMO University. Ihre Forschungsinteressen liegen in der polarisationsbasierten und spektroskopischen Bildgebung für die biomedizinische Diagnostik. Sie ist Mitglied von SPIE.
Alexander Bykov ist außerordentlicher Professor und Gruppenleiter für Biophotonik in der Abteilung für Optoelektronik und Messtechnik der Universität von Oulu, Finnland. Er promovierte an der Lomonosov Moscow State University in Russland und promovierte 2010 an der University of Oulu zum DSc (Tech.). Er ist Autor und Mitautor von über 100 Artikeln in von Experten begutachteten wissenschaftlichen Fachzeitschriften. Seine wissenschaftlichen Interessen liegen im Bereich der nichtinvasiven optischen Diagnostik einschließlich Polarisation und hyperspektraler Bildgebung.
Alexey Popov ist Forschungsprofessor am VTT Technical Research Center in Finnland. Seine wissenschaftliche Tätigkeit umfasst Photonik und Nanotechnologie mit den Schwerpunkten Entwicklung optischer Sensoren und Modalitäten für die biomedizinische Diagnostik, Qualität landwirtschaftlicher Produkte und Umweltbedingungen, UV-Schutz, Gassensorik und Photokatalyse.
Igor Meglinski ist Professor an der Universität von Oulu (Finnland) und der Aston University (UK). Seine Forschungsinteressen liegen an der Schnittstelle zwischen Physik und Biowissenschaften und konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer nichtinvasiver bildgebender Diagnosetechniken in den Branchen Medizin, Biologie, Lebensmittelwissenschaften, Umweltüberwachung und Gesundheitswesen. Er ist zugelassener Physiker (CPhys), zugelassener Ingenieur (CEng), leitendes Mitglied des IEEE, Fellow des Institute of Physics (FInstP) und Fellow des SPIE. © The Authors. Veröffentlicht von SPIE unter einer Creative Commons Attribution 4.0 Unported License. Die Verbreitung oder Reproduktion dieses Werks ganz oder teilweise erfordert die vollständige Zuordnung der Originalveröffentlichung einschließlich ihres DOI. Zitat Citation herunterladen Mariia A. Borovkova , Alexander V. Bykov , Alexey Popov , und Igor V. Meglinski „Die Rolle von Streuung und Doppelbrechung bei der Phasenverzögerung wird durch den Ort des Stokes-Vektors auf der Poincaré-Kugel offenbart.“ Zeitschrift für biomedizinische Optik 25 (5), 057001 (20. Mai 2020). https://doi.org/10.1117/1.JBO.25.5.057001 Eingegangen am 22. Oktober 2019; Akzeptiert: 27. April 2020; Veröffentlicht: 20. Mai 2020