Методи і засоби поляризаційно-інтерференційного відтворення і дискретного фазового сканування джонс-матричних зображень полікристалічних плівок дегідратованої жовчі
Анотація
Актуальність. Сучасні методи Мюллер-матричної поляриметрії спрямовані на визначення критеріїв та практичне застосування таких маркерів у диференціальній діагностиці патологічних і некротичних змін біологічних тканин органів людини. Разом з тим, маловивченими і актуальними є питання, пов’язані із матричними дослідженнями іншого класу об’єктів — дегідратованих (висушених) плівок біологічних рідин (БР), полікристалічна структура яких пов’язана зі складом і співвідношенням розчинених речовин. Поляриметрія дегідратованих плівок БР на макроскопічному рівні забезпечує можливість одержання інформації про її молекулярну мікроструктуру. Окрім цього, БР є більш легкодоступними і не потребують травматичної, часом небезпечної, біопсії.
Мета роботи. Розроблення та експериментальна апробація діагностичної ефективності нової техніки поляризаційно-інтерференційної реконструкції та пошарового фазового сканування об’єктних полів комплексних амплітуд з алгоритмічним відтворенням дійсної та уявної складових Джонс-матричних зображень полікристалічних плівок дегідратованої жовчі здорових донорів і хворих на жовчокам’яну хворобу.
Матеріали і методи. Використано поляризаційну інтерферометрію, цифрове фазове сканування та статистичний аналіз алгоритмічно відтворених дійсної та уявної складових Джонс-матричних зображень плівок дегідратованої жовчі.
Результати. Представлені та фізично проаналізовані результати статистичного аналізу методу поляризаційно-інтерференційного картографування з цифровим Фур’є відтворенням і фазовим скануванням розподілів комплексних амплітуд і алгоритмічним обчисленням дійсної та уявної складових Джонс-матричних зображень зразків плівок жовчі. Установлені максимально чутливі до змін полікристалічної структури дегідратованих плівок жовчі статистичні маркери і продемонстровано високу точність (97,6%) диференціальної діагностики жовчнокам’яної хвороби.
Висновки. Установлені загальні сценарії трансформації статистичної структури сукупності Джонс-матричних зображень, які відтворені у різних фазових площинах об’єктного поля плівок дегідратованої жовчі. Визначено сукупність найбільш чутливих до патологічних змін структури самозібраних у процесі дегідратації молекулярних мереж (у подальшому надмолекулярних мереж) плівок жовчі діагностичних маркерів. Ними виявилися асиметрія та ексцес, які характеризують координатні розподіли величини дійсних та уявних складових елементів матриці Джонса.
Завантаження
Посилання
Ghosh N. Tissue polarimetry: concepts, challenges, applications, and outlook. J Biomed Opt. 2011;16(11):110801. https://doi.org/10.1117/1.3652896
Jacques SL. Polarized light imaging of biological tissues. In: Boas D, Pitris C, Ramanujam N, editors. Handbook of Biomedical Optics. 2nd ed. CRC Press; 2011. p. 649–69. https://doi.org/10.1201/b10951-34
Layden D, Ghosh N, Vitkin IA. Quantitative polarimetry for tissue characterization and diagnosis. In: Wang RK, Tuchin VV, editors. Advanced Biophotonics: Tissue Optical Sectioning. CRC Press; 2013. p. 73–108. https://doi.org/10.1201/b15256-6
Vitkin A, Ghosh N, de Martino A. Tissue Polarimetry. In: Andrews DL, editor. Photonics: Scientific Foundations, Technology and Applications. John Wiley & Sons; 2015. p. 239–321. https://doi.org/10.1002/9781119011804.ch7
Pishak VP, Ushenko AG, Gryhoryshyn P, Yermolenko SB, Rudeychuk VM, Pishak OV. Study of polarization structure of biospeckle fields in crosslinked tissues of human organism: 1. Vector structure of skin biospeckles. Proc SPIE Int Soc Opt Eng. 1997;418:418–24. https://doi.org/10.1117/12.295715
Ushenko AG. Depolarization of a laser emission field as the correlation development of its polarization structure. Int Conf Correlation Opt. 1997;3317:331–39. https://doi.org/10.1117/12.295701
Ushenko AG, Burkovets DN, Yermolenko SB, Arkhelyuk AD, Pishak VP, Yuzko AM, et al. Stokes polarimetry of biotissues. Fourth Int Conf Correlation Opt. 1999;3904:527–33. https://doi.org/10.1117/12.370448
Józwicki R, Patorski K, Angelsky OV, Ushenko AG, Burkovets DN, Ushenko YA. Automatic polarimetric system for early medical diagnosis by biotissue testing. Opt Appl. 2002;32(4):603–12. Available from: https://www.dbc.wroc.pl/Content/40764/PDF/optappl_3204p603.pdf
Ushenko AG, Pishak VP. Coherent-domain optical methods: biomedical diagnostics, environmental and material science. In: Laser Polarimetry of Biological Tissue. Principles and Applications. Boston: Kluwer Academic Publishers; 2004. p. 67–93. https://doi.org/10.1007/0-387-29989-0_3
Olar EI, Ushenko AG, Ushenko YA. Correlation microstructure of the Jones matrices for multifractal networks of biotissues. Laser Phys. 2004;14(7):1012–18. https://doi.org/10.1117/12.797380
Yermolenko S, Ushenko A, Ivashko P, Goudail F, Gruia I, Gavrilă C, et al. Spectropolarimetry of cancer change of biotissues. Ninth Int Conf Correlation Opt. 2009;7388:404–10. https://doi.org/10.1117/12.853585
Ushenko AG, Fediv AI, Marchuk YF. Correlation and fractal structure of Jones matrices of human bile secret. Eur Conf Biomed Opt. 2009;7368_1Q. https://doi.org/10.1364/ecbo.2009.7368_1q
Angelsky OV, Ushenko AG, Ushenko YA, Pishak VP, Peresunko AP. Statistical, Correlation, and Topological Approaches in Diagnostics of the Structure and Physiological State of Birefringent Biological Tissues. In: Handbook of Photonics for Biomedical Science. CRC Press; 2010. p. 283–322. https://doi.org/10.1201/9781439806296
Angelsky OV, Polyanskii PV, Mokhun II, Zenkova CY, Bogatyryova HV, Felde ChV, et al. Optical measurements: polarization and coherence of light fields. In: Modern Metrology Concerns. Luigi Cocco, ed. 2012. p. 263-316. https://doi.org/10.5772/36553
Ushenko AG, Dubolazov OV, Ushenko VA, Novakovskaya OY, Olar OV. Fourier polarimetry of human skin in the tasks of differentiation of benign and malignant formations. Appl Opt. 2016;55(12):B56–B60. https://doi.org/10.1364/AO.55.000B56
Hunter R. Foundations of Colloid Science. Clarendon Press, Oxford University Press; 2001. p. 806. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(02)00170-X
Chen X, Chen PG, Ouazzani J, Liu Q. Numerical simulations of sessile droplet evaporating on heated substrate. Eur Phys J Spec Top. 2017;226(6):1325–35. https://doi.org/10.1140/epjst/e2016-60203-y
Dash S, Garimella SV. Droplet evaporation on heated hydrophobic and superhydrophobic surfaces. Phys Rev E. 2014;89(042402):1–8. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.89.042402
Gleason K, Putnam SA. Microdroplet evaporation with a forced pinned contact line. Langmuir. 2014;30(34):10548–55. https://doi.org/10.1021/la5020863
Hu H, Larson RG. Evaporation of a sessile droplet on a substrate. J Phys Chem B. 2020;106:1334–44. https://doi.org/10.1021/la501770g
Serra J. Image Analysis and Mathematical Morphology. Academic Press, London. 1982. p. 610. https://doi.org/10.1002/cyto.990040213
Shirvaikar M, Trivedi M. Developing texture-based image clutter measures for object detection. Opt Eng. 1992;31(12):2628–39. https://doi.org/10.1117/12.60013
Thiele U. Patterned deposition at moving contact lines. Adv Colloid Interface Sci. 2014;206:399–413. https://doi.org/10.1016/j.cis.2013.11.002
Ushenko VO, Vanchuliak OYa, Sakhnovskiy MY. Polarization-interference mapping of biological fluids polycrystalline films in differentiation of weak changes of optical anisotropy. Proc SPIE. 2017;10396:103962O. https://doi.org/10.1117/12.2273794
Trifonyuk L, Sdobnov A, Baranowski W, Ushenko V, Olar O, Dubolazov A., et al. Differential Mueller matrix imaging of partially depolarizing optically anisotropic biological tissues. Lasers Med Sci. 2020;35:877–91. https://doi.org/10.1007/s10103-019-02878-2
Ushenko AG, Dubolazov AV, Ushenko VA, Ushenko YA, Pidkamin LY, Soltys IV., et al. Mueller-matrix mapping of optically anisotropic fluorophores of molecular biological tissues in the diagnosis of death causes. Proc SPIE. 2016;9971:99712L https://doi.org/10.1117/12.2237662
Ushenko VA, Pavlyukovich ND, Trifonyuk L. Spatial-frequency azimuthally stable cartography of biological polycrystalline networks. Int J Opt. 2013;2013:683174. https://doi.org/10.1155/2013/683174
Dubolazov AV, Pashkovskaya NV, Ushenko YA, Marchuk YF, Ushenko VA, Novakovskaya OY. Birefringence images of polycrystalline films of human urine in early diagnostics of kidney pathology. Appl Opt. 2016;55:B85–B90. https://doi.org/10.1364/AO.55.000B85
Ushenko AG, Pashkovskaya NV, Dubolazov OV, Ushenko YA, Marchuk YF, Ushenko VA. Mueller matrix images of polycrystalline films of human biological fluids. Rom Rep Phys. 2015;67(4):1467–79. Available from: https://rrp.nipne.ro/2015_67_4/A26.pdf
Lee HR, Lotz C, Groeber-Becker FK, Dembski S, Novikova T. Digital histology with Mueller polarimetry and FastDBSCAN. Appl Opt. 2022;61(32):9616-24. https://doi.org/10.1364/AO.461732
Kim M, Lee HR, Ossikovski R, Malfait-Jobart A, Lamarque D, Novikova T. Optical diagnosis of gastric tissue biopsies with Mueller microscopy and statistical analysis. J Eur Opt Soc Rapid Publ. 2022;18(2):10. https://doi.org/10.1051/jeos/2022011
Lee HR, Li P, Yoo TSH, Lotz C, Groeber-Becker FK, Dembski, et al. Digital histology with Mueller microscopy: how to mitigate an impact of tissue cut thickness fluctuations. J Biomed Opt. 2019;24(7):076004. https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.7.076004
Li P, Lee HR, Chandel S, Lotz C, Groeber-Becker FK, Dembski S, et al. Analysis of tissue microstructure with Mueller microscopy: logarithmic decomposition and Monte Carlo modeling. J Biomed Opt. 2020;25(1):015002. https://doi.org/10.1117/1.JBO.25.1.015002
Lee HR, Yoo TSH, Li P, Lotz C, Groeber-Becker FK, Dembski S, et al. Mueller microscopy of anisotropic scattering media: theory and experiments. Proc SPIE Unconv Opt Imaging. 2018;10677:1067718. https://doi.org/10.1117/12.2306943
Ma H, He H, Ramella-Roman JC. Mueller matrix microscopy. In: Ramella-Roman JC, Novikova T, editors. Polarized Light in Biomedical Imaging and Sensing. Springer, Cham. 2023. p. 281-320. https://doi.org/10.1007/978-3-031-04741-1_11
Ushenko A, Soltys I, Dubolazov A, Ushenko Y, Bilookyi V, Bilookyi O, et al. 3D Jones-matrix thesiography of biological fluid facies. J Innov Opt Health Sci. 2025;18(2):2443002. https://doi.org/10.1142/S1793545824430028
Ushenko A, Dubolazov A, Zheng J, Litvinenko A, Gorsky M, Ushenko Y, et al. 3D polarization-interference holographic histology for wavelet-based differentiation of the polycrystalline component of biological tissues with different necrotic states. Forensic applications. J Biomed Opt. 2024;29(5):052920. https://doi.org/10.1117/1.JBO.29.5.052920
Ushenko A, Zheng J, Litvinenko A, Gorsky M, Wanchuliak O, Dubolazov A, et al. 3D digital polarization-holographic wavelet histology in determining the duration of mechanical damage to the myocardium. J Biophotonics. 2024;17(3):e202300372. https://doi.org/10.1002/jbio.202300372
Ushenko A, Pavlyukovich N, Khukhlina O, Pavlyukovich O, Soltys I, Dubolazov A, et al. Blood plasma film multifractal scanning in COVID-19 consequences diagnostics. J Biophotonics. 2024;17(11):e202400356. https://doi.org/10.1002/jbio.202400356
Ushenko A, Dubolazov A, Zheng J, Bakun O, Gorsky M, Ushenko Y, et al. Mueller matrix polarization interferometry of optically anisotropic architectonics of biological tissue object fields: the fundamental and applied aspects. Front Phys. 2024;11:1302254. https://doi.org/10.3389/fphy.2023.1302254
Ushenko O, Bilookyi O, Zheng J, Dubolazov A, Olar O, Ushenko Y, et al. 3D digital holographic polarimetry of laser speckle fields formed by polycrystalline blood films: a tool for differential diagnosis of thyroid pathology. Front Phys. 2024;12:1426469. https://doi.org/10.3389/fphy.2024.1426469
Thamer SJ. Pathogenesis, Diagnosis and Treatment of Gallstone Disease: A Brief Review. Biomed Chem Scsi. 2022;1(2):70–7. https://doi.org/10.48112/bcs.v1i2.99
Jones CR. A New calculus for the treatment of optical systems. VII Properties of the N-matrices. J Opt Soc Am. 1948;38(8):671–85. https://doi.org/10.1364/josa.38.000671
Azzam RMA. Propagation of partially depolarized light through anisotropic media with or without depolarization: A differential 4×4 matrix calculus. J Opt Soc Am. 1978;68(12):1756–67. https://doi.org/10.1364/JOSA.68.001756
Arteaga O, Canillas A. Analytic inversion of the Mueller-Jones polarization matrices for homogeneous media. Opt Lett. 2010;35(4):559–61. https://doi.org/10.1364/OL.35.000559
Barakat R. Exponential versions of the Jones and Mueller–Jones polarization matrices. J Opt Soc Am A. 1996;13(1):158–63. https://doi.org/10.1364/JOSAA.13.000158
Marchesini R, Bertoni A, Andreola S, Melloni E, Sichirollo AE. Extinction and absorption coefficients and scattering phase functions of human tissues in vitro. Appl Opt. 1989;28(12):2318–24. https://doi.org/10.1364/AO.28.002318
Edwards DK, Gier JT, Nelson KE, Roddick RD. Integrating sphere for imperfectly diffuse samples. J Opt Soc Am. 1961;51(11):1279–88. https://doi.org/10.1364/JOSA.51.001279
Hahm JS, Sung IK, Yang SC, Rhee JC, Lee MH, Kee CS, et al. Biliary proteins in patients with and without gallstones. Korean J Intern Med. 1992;7(1):18–24. https://doi.org/10.3904/kjim.1992.7.1.18
Portincasa P, Moschetta A, Calamita G, Margari A, Palasciano G. Pathobiology of cholesterol gallstone disease: from equilibrium ternary phase diagram to agents preventing cholesterol crystallization and stone formation. Curr Drug Targets Immune Endocr Metab Disord. 2003;3(1):69–84. https://doi.org/10.2174/1568008033340397
Portincasa P, Moschetta A, van Erpecum KJ, Calamita G, Margari A, van Berge-Henegouwen GP, et al. Pathways of cholesterol crystallization in model bile and native bile. Dig Liver Dis. 2003;35(2):118–26. https://doi.org/10.1016/s1590-8658(03)00009-4
Portincasa P, van Erpecum KJ, Di Ciaula A, Wang DQH. The physical presence of gallstone modulates ex vivo cholesterol crystallization pathways of human bile. Gastroenterol Rep (Oxf). 2019;7(1):32–41. https://doi.org/10.1093/gastro/goy044
Helen H Wang, Piero Portincasa, Min Liu, David Q-H Wang. Effects of biliary phospholipids on cholesterol crystallization and growth in gallstone formation. Adv Ther. 2023;40(3):743–68. https://doi.org/10.1007/s12325-022-02407-8
Principles of forensic medicine. SP Robinson, ed. Greenwich Medical Media, 1996, p. 192
Авторське право (c) 2025 Ю. Ушенко, І. Солтис, В. Гарасим, О. Салега
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
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).
