各向异性癌变检测及机理
皮肤三层模型——吸收系数固定只改变柱球比的模拟结果
光强
DP
DOP
➢光强I 的相对变化幅度要小于DP 和DOP。 ➢各向异性结构发生变化时光强变化不明显，DP上升，DOP 上升。
各向异性癌变检测及机理
小结
➢针对不同深度的恶性黑色素瘤，提出了两种各向异性吸收 简化模型。
➢运用这两种简化模型模拟分析各向异性吸收组织偏振成像 ，得到如下规律: (1)位于表皮的吸收层对偏振成像影响较大；位于真皮层 的吸收层对偏振成像影响可忽略。 (2)位于表皮的吸收层对偏振成像的影响随着吸收系数的 增大而增大。
➢这些规律可为黑色素类病变分期诊断的提供依据，并有可 能用于其他色素类疾病诊断。
工作总结与展望
工作总结
实验研究了各向同性癌变体系：偏振成像方法能够使癌症组织边界更清 晰，其中RLPI对比度最高。
鉴于现有单一组分模型无法解释实验结果，对照癌变的病理特征，建立了 双组份模型。并使用双组份模型模拟分析，结果表明： a. RLPI相比普通成像、DP、DOP具有最高的对比度；
这同实验结果相符 b. 散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果的主要因素
对于各向异性且有吸收的癌变进行了探索性研究，提出了两种简化模型。 运用这两种简化模型模拟分析了各向异性吸收组织偏振成像检测的一些 规律： a. 位于表皮的吸收层对偏振成像影响较大；位于真皮层的吸收层对 偏振 成像影响可忽略。 b.位于表皮的吸收层对偏振成像的影响随着吸收系数的增大而增大。
3
各向同性癌变检测及机理
4
各向异性癌变检测及机理
35
工作总结与展望
各向同性癌变检测及机理
各向同性癌变检测——实验结果
黄色圆圈处为病灶即癌 变区
参数B 在众多参数中对 比度最高，最敏感。
光强 DP DOP B
对比度 0.21 0.17 0.03 0.34
光强图像 DP图像
RLPI B参数图像 DOP图像
各向异性癌变检测及机理
本章基本思路：
不含吸收的各向异性黑色素瘤偏振成像样例
研究参数随深度的变 化关系、解释实验现
像
含吸收的各向异性皮肤恶性黑色素瘤病理模型建立
利用拆分模型及蒙特 卡洛模拟解释该体系
偏振测量的变化
分析探索吸收层在中间的黑色素瘤早期癌变模型
在吸收层的吸收系数 和柱球比变化时，测
量量的变化规律
大小粒子浓度比 1:1000
大小粒子的散射 系数比为3:1
模拟得到的各参数对比度排 序与生物实验的结果一致， 说明癌变样品的各个偏振参 数对比度的增加可能是由细 胞增生引起的。
各向同性癌变检测及机理
各向同性癌变检测——实验和模拟结果分析
固定双组份体系中粒子 数密度，改变大粒子粒 径，四个偏振参数随着 粒径增加下降，其中B的 下降速度最快。
结论：散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果的主要因素
各向同性癌变检测及机理
小结
➢各向同性癌变体系：偏振成像方法能够使癌症组织边界更 清晰，其中RLPI对比度最高。
➢现有单一组分模型无法解释实验结果，对照癌变的病理特 征，建立了双组份模型。
➢双组份模型模拟结果表明： a. RLPI相比普通成像、DP、DOP具有最高的对比度；
DOP图像
DOP 并不是 与吸收完全
无关的
简化模型
各向异性癌变检测及机理
不同类型的黑色素瘤 深度不一样
建立模型 各向同性+吸收
各向同性
各向异性
各向异性+吸收
各向异性癌变检测及机理
偏振参数深度的研究
实验结果
模拟结果
各向异性癌变检测及机理
各向异性+吸收——模型的建立与简化
癌变细胞主要在真皮 层以上区域扩散，吸 收增强效应出现在上 层
单组份模型无法描述 实际情况
双组份光学模型
各向同性癌变检测及机理
各向同性癌变检测——单组份模型模拟结果 ➢各向同性体系参数随浓度对比70cm-1的对比度变化
小粒子直径0.2μm
大粒子直径2μm
从RLPI 参数同Mueller 矩阵元的关系可知B对偏振差异敏感。 在各向同性体系中，B 可能是比DP 和DOP 更好的反应退偏能力的指 标。
研究背景和意义
现有偏振测癌结果
正常图像
偏振图像
➢偏振成像检测鳞状细胞癌： 对比度提高，呈现更多癌变区域细节
研究背景和意义
现有偏振测癌结果
正常图像
偏振图像
术后效果
➢偏振成像界定癌症边界，用于临床
Steven L. Jacques et al., Proc. of SPIE Vol. 6842 684201-2, (2008).
研究背景和意义
3. 旋转线偏振成像方法 (RLPI)
参数的物理意义：
3/2 反映的是样品各向异性的取向角； G 反映的是样品各向异性度，在含纤维的 散射体系中，是纤维的有序度；
样品：鸡心
普通成像
G
3/2
Ran Liao, Nan Zeng, Xiaoyu Jiang, Tianliang Yun, Dongzhi Li, Yonghong He, and Hui Ma, Journal of Biomedical Optics, 15(3), 030614(2010).9(SCI)
这同实验结果相符 b. 散射体浓度是影响癌变组织偏振测量结果的主要因素
主要内容
31
研究背景和意义
2 偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果
3
各向同性癌变检测及机理
4
各向异性癌变检测及机理
35
工作总结与展望
各向异性癌变检测及机理
样本选择——恶性黑色素瘤样本（1）
光强图像 DP图像
RLPI G参数图像
各向同性癌变检测及机理
各向同性癌变检测——单组份光学模型
单组份模型
样品正常与病变区组织学图像
各向同性癌变检测及机理
各向同性癌变检测——考虑生理结构的模拟结果 ➢各向同性体系偏振参数随浓度比70cm-1的对比度变化
小粒子直径0.7μm 模拟结果与实验不符，
大粒子直径7μm
单大一粒粒子单子变组模化份实行型模际为都型情无对无况法对法获比描得度述的与影实验响对较应大的，在结双果，组应份双引模组入型份中双光应组份以学模大模型粒型；子为主。
展望 2
➢建立系统的癌变 模型信息库
采集足够的典型 部位癌变信息数据 量，建立多个特异 性光学参数模型， 才能有效解释偏振 成像结果，并运用 模拟系统结合实验 为病理诊断提供依 据。
展望 3
➢采用球体系仿体 研究 对模型的各项结 构和光学特性参数 进行调控并测量， 有助于我们了解在 相对复杂体系下癌 变模型的各因素分 别对本方法参数的 影响趋势。
吸收系数对偏振成像的影响
深度对偏振成像的影响
当吸收层位于浅层（表皮以内）时，对偏振成像影响较大；当 吸收层位于深层（真皮层）时，对偏振成像影响可忽略。
当吸收层位于浅层（表皮以内）时，对偏振成像的影响随着吸 收系数的增大而增大。
各向异性癌变检测及机理
样本选择——恶性黑色素瘤样本（2）
光强图像
RLPI方法G参数图像
2 偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果
3
各向同性癌变检测及机理
4
各向异性癌变检测及机理
35
工作总结与展望
偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果
偏振成像癌变样品制备
➢癌变体系及病株的选择 ➢内脏——肝转移CNE鼻咽癌 ➢内腔——HCT116结肠癌 ➢皮肤——B16黑色素瘤
各向同性 各向异性
偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果
偏振成像癌变组织动物模型的制备与检测结果
样本旋转线偏振成像检测结果——HCT116结肠癌
光强图像
DP图像
DOP图像
HCT116结肠癌的光强、DP和DOP图像
各向同性癌变检测及机理
各向同性癌变检测——单组份模型模拟结果 ➢粒径大小变化对对比度的影响（us=70cm-1）
按最大值归一化曲线
模拟结果与实验不符，
癌变细胞已经侵入真皮 层，吸收增强效应出现 在下层真皮组织模拟区。
辐射生长期
垂直生长期
各向异性癌变检测及机理
简化模型对应的样本
光 强 图
DP 图
DOP 图
皮肤上层吸收模型-皮肤表面油墨 皮肤下层吸收模型-痣
各向异性癌变检测及机理
模拟结果——皮肤上层吸收模型
散射系数为450cm-1
a (1 g)s
论文创新点
工作总结与展望
针对两类不同微观结构特征的癌变分别建立了癌组织光学模型：双组份 球模型 、 吸收分层模型。
解释了偏振成像参数表征癌变的机理。
各向同性结构特性的癌变组织 各向异性结构特性的癌变组织
工作总结与展望
展望
展望 1
➢完善皮肤三层模 型 为了对病变对比 度机制和表征关系 进行清晰准确的解 释，有必要进一步 建立完善三层各向 异性含吸收效应的 组织模型。
研究背景和意义
生物组织偏振散射模型：球柱偏振散射模型
球散射体、柱散射体、周围介质参数可调
散射体：直径、折射率、散射系数、角度分布等 周围介质：吸收、折射率等
可用于各向同性组织：肝脏、血液、脂肪等； 各向异性组织：牙本质、皮肤等
研究背景和意义
偏振方法、生物组织、模型
有现象?
主要内容
31
研究背景和意义
研究背景和意义
偏振成像装置与方法
1. 偏振差
DP Ico Icr
2. 偏振度
DOP Ico Icr Ico Icr
研究背景和意义
旋转线偏振成像装置与方法