清華新聞網(wǎng)9月29日電 作為一種電磁波，光具有強(qiáng)度、波長(zhǎng)、相位和偏振等基本特性。其中光的偏振屬于矢量性質(zhì)，其高維度的特性決定了偏振的測(cè)量和表征較為復(fù)雜。由于人眼可以直接或間接觀(guān)察到光的強(qiáng)度、顏色（波長(zhǎng)）、相位信息，因此基于上述基本屬性的光學(xué)方法發(fā)展歷史較為悠久，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與此相比，人眼不具有感知偏振的能力，因此基于偏振的光學(xué)方法發(fā)展相對(duì)較晚。然而近年來(lái)隨著新的精密偏振器件、探測(cè)器，及測(cè)量?jī)?yōu)化校準(zhǔn)方法不斷出現(xiàn)，偏振光學(xué)方法具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)正在引起關(guān)注。如今，偏振光學(xué)已在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，覆蓋從基礎(chǔ)物理如量子物理研究，到各類(lèi)應(yīng)用如材料表征以及生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等方方面面。因其具備攜帶的信息量大、無(wú)需外源性標(biāo)記、兼容各類(lèi)已有光學(xué)儀器等諸多優(yōu)勢(shì)，偏振光學(xué)方法在生物醫(yī)學(xué)研究及臨床實(shí)踐中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
圖1.光的偏振性質(zhì)及生物樣品的作用
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院何宏輝、馬輝團(tuán)隊(duì)與牛津大學(xué)何超、馬丁·布斯（Martin Booth）團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀撰寫(xiě)評(píng)述文章，簡(jiǎn)要介紹了偏振光學(xué)基礎(chǔ)，系統(tǒng)總結(jié)了在生物醫(yī)學(xué)研究中偏振測(cè)量及成像技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，面向生物醫(yī)學(xué)樣本的偏振信息提取和參數(shù)分析的方法，并展示了在薄樣本透射偏振成像/厚組織反射偏振成像中的典型應(yīng)用，以及和其他技術(shù)結(jié)合的多模態(tài)生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方法等。綜述文章討論了若干近期的偏振成像測(cè)量技術(shù)突破，展望了偏振光學(xué)方法在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。
圖2. 穆勒矩陣及其內(nèi)部“編碼”的物理信息
通過(guò)介紹偏振光學(xué)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基本數(shù)學(xué)工具，作者將生物醫(yī)學(xué)偏振計(jì)和橢偏測(cè)量術(shù)的發(fā)展進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)了復(fù)雜散射體系與非散射體系偏振測(cè)量需求的差異。考慮到生物醫(yī)學(xué)樣品，如組織、細(xì)胞等常常具有較為顯著的散射特性，因此常用一個(gè)四維斯托克斯矢量描述光的偏振狀態(tài)，此時(shí)入射光與樣品的散射相互作用可由一個(gè)4×4偏振變換矩陣-即穆勒矩陣表征，其第一個(gè)矩陣元代表我們熟知的非偏振光學(xué)特征，其余陣元反映樣品的不同偏振光學(xué)屬性。由此可見(jiàn)，偏振光學(xué)方法可提供樣品的大量信息。此外，由于光的偏振態(tài)調(diào)制器件不影響光的傳播方向，通過(guò)在光路中增加偏振器件即可在保持顯微鏡、內(nèi)窺鏡等原有光學(xué)成像及測(cè)量設(shè)備工作方式不變的情況下，拓展其獲取生物醫(yī)學(xué)樣品微觀(guān)結(jié)構(gòu)信息的能力。針對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，綜述沿著偏振測(cè)量及成像技術(shù)-偏振信息提取、參數(shù)分析-組織和細(xì)胞的偏振成像，及測(cè)量應(yīng)用等三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)回顧總結(jié)。綜述最后結(jié)合當(dāng)下快速發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)、非線(xiàn)性光學(xué)、超表面等技術(shù)，對(duì)偏振光學(xué)方法在生物醫(yī)學(xué)研究及臨床應(yīng)用中的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為相關(guān)研究提供了指導(dǎo)。
圖3. 偏振生物醫(yī)學(xué)方法的潛在多模態(tài)連用
相關(guān)內(nèi)容近期以“面向生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用的偏振光學(xué)”（Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review）為題發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications），并被選為“編輯推薦”（Editors’Highlights）及封面文章。論文第一作者為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系2013級(jí)工程碩士、現(xiàn)牛津大學(xué)圣約翰學(xué)院（St John’s College）獨(dú)立教職青年研究員、博士生導(dǎo)師何超，論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院何宏輝副教授，牛津大學(xué)何超青年研究員和馬丁·布斯（Martin J.Booth）教授。論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院馬輝教授、常金濤博士，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系碩士生陳斌國(guó)。本研究得到深圳市科技計(jì)劃基礎(chǔ)研究（學(xué)科布局）等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41377-021-00639-x
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷
