Поляризаційно-інтерференційне картографування мереж в полікристалічних дифузних біологічних тканинах
Анотація
Актуальність. Розроблення нових технік комплексної поляриметричної 3D діагностики полікристалічних мереж біологічних тканин – актуальна задача біомедичної оптики. Таку можливість може забезпечити поєднання традиційних методів Мюллер-матричного та голографічного картографування фазово-неоднорідних шарів. Даний підхід відкриває перспективи дослідження розподілів лінійного та циркулярного двопроменезаломлення і дихроїзму полікристалічних мереж і структур в об’ємі біологічного шару. Така інформація є базисною у визначенні нових (у порівняні з традиційними даними Мюллер-матричної поляриметрії) критеріїв диференціальної діагностики різноманітних патологічних станів біологічних тканин органів людини.
Мета роботи. Метою роботи є розробка та експериментальна апробація комплексу методів стокс-поляриметрії та інтерферометрії з використанням алгоритмів цифрової голографічної реконструкції амплітудно-фазової структури об’єктних полів для одержання взаємозв’язків між 3D розподілами мап деполяризації та особливостями полікристалічної структури гістологічних зрізів біологічних тканин різної морфологічної будови та фізіологічного стану.
Матеріали і методи. В основу методу 3D Мюллер-матричного картографування покладено використання опорної хвилі лазерного випромінювання, яка в схемі оптичного інтерферометра накладається на поляризаційно-неоднорідне зображення біологічного шару.
Результати. В процесі порівняльного аналізу мап деполяризації біологічних тканин з різною за геометричними масштабами морфологічною будовою ми виявили різну швидкість наростання ступеня деполяризації.
Висновки. Запропоновано та обґрунтовано метод Мюллер-матричного картографування мап деполяризації деполяризуючих шарів біологічних тканин різної морфологічної будови і фізіологічного стану. Визначено залежності величини статистичних моментів 1-го – 4-го порядків, які характеризують пошарові розподіли значень ступеня деполяризації різних типів біологічних тканин. Проведено дослідження можливостей диференціації доброякісних (аденома) і злоякісних (карцинома) змін гістологічних зрізів біопсії тканини простати.
Завантаження
Посилання
De Martino, A. (2009). A polarization-based optical techniques applied to biology and medicine. In Proc. European Workshop, Ecole Polytechnique, Massy, France.
Ghosh, N., & Vitkin, A. I. (2011). Tissue polarimetry: concepts, challenges, applications, and outlook. Journal of biomedical optics, 16(11), 110801.
Jacques, S. L. (2016). Polarized light imaging of biological tissues. In Handbook of biomedical optics (pp. 669-692). CRC Press.
Ghosh, N., Wood, M., & Vitkin, A. (2010). Polarized Light Assessment of Complex Turbid Media Such as Biological Tissues Us-ing Mueller Matrix Decomposition. In Handbook of photonics for biomedical science (pp. 289-318). CRC Press.
Layden, D., Ghosh, N., & Vitkin, A. (2013). Quantitative polarimetry for tissue characterization and diagnosis, in Advanced Biophotonics: Tissue Optical Sectioning. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, London, New York, 73-108.
Vitkin, A., Ghosh, N., & De Martino, A. (2015). Tissue polarimetry Photonics: Scientific Foundations, Technology and Applications, vol. 4. D.L. Andrews (Eds.).
Mishchenko, M. I., Travis, L. D., & Lacis, A. A. (2002). Scattering, absorption, and emission of light by small particles. Cambridge university press.
Swami, M. K., Patel, H. S., & Gupta, P. K. (2013). Conversion of 3× 3 Mueller matrix to 4× 4 Mueller matrix for non-depolarizing samples. Optics Communications, 286, 18-22.
Izotova, V. F., Maksimova, I. L., Nefedov, I. S., & Romanov, S. V. (1997). Investigation of Mueller matrices of anisotropic nonhomogeneous layers in application to an optical model of the cornea. Applied optics, 36(1), 164-169.
Tuchin, V. V. (2015). Tissue optics and photonics: biological tissue structures. Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 1(1).
Tuchin, V. V. (2015). Tissue optics and photonics: light-tissue interaction. Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 1(2).
Manhas, S., Swami, M. K., Buddhiwant, P., Ghosh, N., Gupta, P. K., & Singh, K. (2006). Mueller matrix approach for determination of optical rotation in chiral turbid media in backscattering geometry. Optics express, 14(1), 190-202.
Deng, Y., Zeng, S., Lu, Q., & Luo, Q. (2007). Characterization of backscattering Mueller matrix patterns of highly scattering media with triple scattering assumption. Optics Express, 15(15), 9672-9680.
Ushenko, A. G., & Pishak, V. P. (2004). Laser polarimetry of biological tissue: principles and applications. Handbook of Coherent-Domain Optical Methods: Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science, 1, 93-138.
Angelsky, O. V., Ushenko, A. G., Ushenko, Y. A., Pishak, V. P., & Peresunko, A. P. (2010). Statistical, correlation, and topological approaches in diagnostics of the structure and physiological state of birefringent biological tissues. In Handbook of Photonics for Biomedical Science (pp. 319-358). CRC Press.
Ushenko, Y. A., Boychuk, T. M., Bachynsky, V. T., & Mincer, O. P. (2013). Diagnostics of structure and physiological state of birefringent biological tissues: statistical, correlation and topological approaches. Handbook of Coherent-Domain Optical Methods: Biomedical Diagnostics, Environmental Monitoring, and Materials Science, 107.
Lu, S. Y., & Chipman, R. A. (1996). Interpretation of Mueller matrices based on polar decomposition. JOSA A, 13(5), 1106-1113.
Guo, Y., Zeng, N., He, H., Yun, T., Du, E., Liao, R., ... & Ma, H. (2013). A study on forward scattering Mueller matrix decomposition in anisotropic medium. Optics express, 21(15), 18361-18370.
DeBoo, B., Sasian, J., & Chipman, R. (2004). Degree of polarization surfaces and maps for analysis of depolarization. Optics express, 12(20), 4941-4958.
Buscemi, I. C., & Guyot, S. (2013). Near real-time polarimetric imaging system. Journal of Biomedical Optics, 18(11), 116002.
Manhas, S., Vizet, J., Deby, S., Vanel, J. C., Boito, P., Verdier, M., ... & Pagnoux, D. (2015). Demonstration of full 4× 4 Mueller polarimetry through an optical fiber for endoscopic applications. Optics express, 23(3), 3047-3054.
Pierangelo, A., Manhas, S., Benali, A., Fallet, C., Totobenazara, J. L., Antonelli, M. R., ... & Validire, P. (2013). Multispectral Mueller polarimetric imaging detecting residual cancer and cancer regression after neoadjuvant treatment for colorectal carcinomas. Journal of biomedical optics, 18(4), 046014.
Wang, L. V., & Wu, H. I. (2012). Biomedical optics: principles and imaging. John Wiley & Sons.
Boas, D. A., Pitris, C., & Ramanujam, N. (Eds.). (2016). Handbook of biomedical optics. CRC press.
Vo-Dinh, T. (2014). Biomedical Photonics Handbook, 3 Volume Set. CRC press.
Tuchin, V. V. (2015). Tissue optics: Light scattering methods and instruments for medical diagnosis: Third edition. SPIE Press, Bellingham, Washington.
Lu, S. Y., & Chipman, R. A. (1996). Interpretation of Mueller matrices based on polar decomposition. JOSA A, 13(5), 1106-1113.
Ghosh, N., Wood, M., & Vitkin, A. (2010). Polarized Light Assessment of Complex Turbid Media Such as Biological Tissues Using Mueller Matrix Decomposition. In Handbook of photonics for biomedical science (pp. 253-282).
Kasaragod, D. K., Lu, Z., Jacobs, J., & Matcher, S. J. (2012). Experimental validation of an extended Jones matrix calculus model to study the 3D structural orientation of the collagen fibers in articular cartilage using polarization-sensitive optical coherence tomography. Biomedical optics express, 3(3), 378-387.
Yasuno, Y., Ju, M. J., Hong, Y. J., Makita, S., Lim, Y., & Yamanari, M. (2015). Jones Matrix based polarization sensitive optical coherence tomography. Optical Coherence Tomography: Technology and Applications, 1137-1162.
Ossikovski, R., & Arteaga, O. (2014). Statistical meaning of the differential Mueller matrix of depolarizing homogeneous media. Optics letters, 39(15), 4470-4473.
Криволапов, Ю. А., & Леенман, Е. Е. (2006). Морфологическая диагностика лимфом. КОСТА.
Зинкин, А. Н., Зингилевская, Н. Г., & Мусельян, Б. Б. (1997). Криовоздействие в оториноларингологии: методические рекомендации. Краснодар–1997.
Davis, D. A., Pellowski, D. M., & William Hanke, C. (2004). Preparation of frozen sections. Dermatologic surgery, 30(12p1), 1479-1485.
Ushenko, V. A., & Dubolazov, A. V. (2013, September). Correlation and self similarity structure of polycrystalline network biological layers Mueller matrices images. In Applications of Digital Image Processing XXXVI (Vol. 8856, p. 88562D). International Society for Optics and Photonics.
Ushenko, V. A., Pavlyukovich, N. D., & Trifonyuk, L. (2013). Spatial-frequency azimuthally stable cartography of biological polycrystalline networks. International Journal of Optics, 2013, 683174. doi: 10.1155/2013/683174.
Ushenko, V. A., & Gorsky, M. P. (2013). Complex degree of mutual anisotropy of linear birefringence and optical activity of biological tissues in diagnostics of prostate cancer. Optics and Spectroscopy, 115(2), 290-297.
Ushenko, Y. A., Ushenko, V. A., Dubolazov, A. V., Balanetskaya, V. O., & Zabolotna, N. I. (2012). Mueller-matrix diagnostics of optical properties of polycrystalline networks of human blood plasma. Optics and Spectroscopy, 112(6), 884-892.
Ushenko, Y. A., Dubolazov, A. V., Balanetskaya, V. O., Karachevtsev, A. O., & Ushenko, V. A. (2012). Wavelet-analysis of polarization maps of human blood plasma. Optics and Spectroscopy, 113(3), 332-343.
Ushenko, V. O. (2013). Spatial-frequency polarization phasometry of biological polycrystalline networks. Optical Memory and Neural Networks, 22(1), 56-64.
Ungurian, V. P., Ivashchuk, O. I., & Ushenko, V. O. (2011, November). Statistical analysis of polarizing maps of blood plasma laser images for the diagnostics of malignant formations. In Tenth International Conference on Correlation Optics (Vol. 8338, p. 83381L). International Society for Optics and Photonics.
Ushenko, V. A., Dubolazov, O. V., & Karachevtsev, A. O. (2014). Two wavelength Mueller matrix reconstruction of blood plasma films polycrystalline structure in diagnostics of breast cancer. Applied optics, 53(10), B128-B139.
Prysyazhnyuk, V. P., Ushenko, Y. A., Dubolazov, A. V., Ushenko, A. G., & Ushenko, V. A. (2016). Polarization-dependent laser autofluorescence of the polycrystalline networks of blood plasma films in the task of liver pathology differentiation. Applied optics, 55(12), B126-B132.
Goodman, J. W. (1975). Statistical properties of laser speckle patterns. In Laser speckle and related phenomena (pp. 9-75). Springer, Berlin, Heidelberg.
Robinson, S. P. (Ed.). (1996). Principles of forensic medicine. Cambridge University Press. P.188.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
