上皮组织形态特征识别中的偏振方法研究

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1、华中科技大学博士学位论文∗摘要由于偏振光具有矢量性，与不具有偏振而只由强度决定的自然光比较，具有包括偏振方向在内的更多的信息，因此利用偏振光和物质相互作用而引起的各种效应，可对介质本身的某些特性进行研究。上皮组织是薄的粘膜组织，其后向散射光的偏振态是易测量的，因此偏振光散射后的偏振退化、偏振分量之间的转换能够反映组织细胞综合结构参数。本文系统地研究了用于上皮组织形态特征识别的偏振光的理论及技术应用，主要研究内容如下：首先，从上皮组织的结构以及非典型增生、原位癌的特征出发，建立了双层散射介质的偏振后向散射光谱的理论模型。用傅立叶方法

2、分析了表层散射体的形态学参数对光谱曲线形状及其谐波幅值的影响。分析表明：粒子直径、标准偏差主要影响光谱的波纹结构的幅值及振荡频率，而散射光谱值的大小对相对折射率最为灵敏；且光谱基波分量及低次谐波分量的贡献依赖于粒子直径、标准偏差及相对折射率的大小。进一步，构建了该上皮组织模型的偏振后向散射光谱反演模型。针对反演模型的多参数、多极值、非线性，采用每代保留最优个体的浮点遗传算法反演。结果表明：经过70代反演迭代，每个参数的相对误差趋于稳定，最小的达到0.02％左右，最大的达到约为0.4％，并且参数反演结果是唯一和稳定的。以组织模拟液I

3、ntralipid为研究对象，通过测量该模型的后向漫散射光的斯托克斯矢量，研究了不同方位的线偏振光及不同旋向的圆偏振光入射时，Intralipid的后向漫散射强度、偏振度的特征。结果表明：对不同的入射偏振态，Intralipid的后向漫散射强度、偏振度的空间分布具有方位选择性，且介质浓度增加，后向散射强度增加，偏振度减小。进一步，提出了利用漫后向散射光随线偏振光入射方位的变化来测量上皮组织模型表层的粒子尺寸分布及相对折射率。建立了偏振后向漫散射强度随入射偏振方位变化的理论模型，并采用物理模型进行了实验验证。通过对测量数据的反演，结

4、果证明：该方法避免了散射光谱术忽略介质折射率随波长变化的缺点，且能够同时准确地抽取表层粒子的形态参数。最后，采用StokesVector–MuellerMatrix形式，建立了当无限窄的连续光束垂直入射到上皮组织模型表面时，后向单次漫散射Mueller矩阵的理论模型。基于Mie散射模∗本课题得到国家自然科学基金（批准号：30470460，60278017和60440420131）、教育部科学技术研究重大项目（批准号：重大10420）的资助。I华中科技大学博士学位论文式，研究了粒子数密度，粒子尺寸参数对Mueller矩阵元二维分布模

5、式的影响，结果表明：单次散射Mueller矩阵的方位变化随粒子的数密度的增加，逐渐消失。粒子数密度以及粒子尺寸参数改变时，Mueller矩阵元强度的径向分布模式不变，即在任何方位，强度随径向距离都近似成指数规律衰减，方位变化呈周期性。关键词：偏振；Mie理论；后向散射；Stokes－Mueller；光谱；反演；上皮组织II华中科技大学博士学位论文∗AbstractAsthepolarizedlightholdingthevectorpropertiesincludessomemoreinformationsthanthenatur

6、allightonlyholdingintensityinformation,somepropertiesaboutthemediaarestudiedbyuseofthevariouspolarizationeffectsbroughtfromtheinteractionofpolarizedlightwiththematter.Theepitheliumconsistsofathinsurfacelayer,itspolarizationstateofbackscatteringlightiseasilymeasured,th

7、erefore,thedepolarizationpropertiesofpolarizedlightbackscatteredandtheconversionbetweenthepolarizationcomponentscanrevealtotalstructureparametersabouttissueandcelllines.Inthisthesis,thetheoriesandtechniquesofpolarizedlightformorphologyfeaturerecognitionofmucosaltissue

8、aresystematicallyandthoroughlystudied.Themainpartsareincludedasfollowing.Firstly,accordingtothestructurepropertiesofepitheli