腦腫瘤是威脅人類健康的重大疾病之一，其早期診斷面臨諸多挑戰(zhàn)。由于腦部腫瘤癥狀的非特異性，如頭痛、癲癇、認(rèn)知障礙等，患者往往錯(cuò)過(guò)最佳治療時(shí)機(jī)。更棘手的是，位于重要功能區(qū)的腫瘤無(wú)法通過(guò)手術(shù)直接取樣，而穿刺活檢因組織異質(zhì)性可能導(dǎo)致誤診。傳統(tǒng)的病理檢測(cè)依賴組織固定與染色，不僅耗時(shí)且無(wú)法實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)評(píng)估。近年來(lái)，無(wú)標(biāo)記光學(xué)成像技術(shù)憑借其非侵入性、高分辨率和實(shí)時(shí)成像能力，成為腦腫瘤診斷的研究熱點(diǎn)。其中，偏振成像與動(dòng)態(tài)激光散斑分析（DLSA）的結(jié)合，為突破傳統(tǒng)技術(shù)的局限性提供了新思路。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
腦腫瘤的多樣性使其診斷復(fù)雜度陡增。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、腦膜瘤、髓母細(xì)胞瘤等不同類型的腫瘤在磁共振成像（MRI）中可能呈現(xiàn)相似的強(qiáng)化模式，導(dǎo)致影像學(xué)難以區(qū)分。傳統(tǒng)的術(shù)中冰凍切片和免疫組化（IHC）雖能提供病理證據(jù)，但其侵入性、耗時(shí)性及空間分辨率不足的問(wèn)題始終存在。

1.偏振成像技術(shù)
通過(guò)分析光波的振動(dòng)方向，可獲取組織的微觀結(jié)構(gòu)信息。例如，癌變組織因細(xì)胞密度和排列異常，往往表現(xiàn)出獨(dú)特的偏振特性。然而，偏振數(shù)據(jù)的解讀依賴于復(fù)雜的數(shù)學(xué)分解模型（如Mueller矩陣），且難以動(dòng)態(tài)追蹤組織活性。

2.DLSA技術(shù)
通過(guò)捕捉激光在生物組織表面形成的散斑圖案變化，能夠反映組織的動(dòng)態(tài)生理活動(dòng)（如血流、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)）。但單純依賴散斑統(tǒng)計(jì)參數(shù)（如對(duì)比度、自相關(guān)函數(shù)）難以關(guān)聯(lián)到具體的組織病理學(xué)特征。

兩者的結(jié)合為解決上述問(wèn)題提供了可能——偏振驅(qū)動(dòng)的DLSA技術(shù)既能利用偏振光的高對(duì)比度特性，又能通過(guò)散斑動(dòng)態(tài)分析捕捉組織響應(yīng)的時(shí)空變化。這種協(xié)同作用為無(wú)標(biāo)記、高精度的腦腫瘤鑒別診斷開(kāi)辟了新路徑。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
偏振成像與動(dòng)態(tài)激光散斑分析的結(jié)合
將偏振成像與DLSA相結(jié)合的新方法，旨在彌補(bǔ)現(xiàn)有成像和診斷技術(shù)的不足，為組織樣本提供更全面的分析。該方法保留了使用相干光源進(jìn)行偏振成像的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過(guò)關(guān)注激光散斑圖案的變化來(lái)規(guī)避其在圖像形成方面的不足。通過(guò)應(yīng)用一系列為DLSA量身定制的統(tǒng)計(jì)后處理技術(shù)，有效地解決了穆勒矩陣和傳統(tǒng)分解方法在數(shù)據(jù)解釋上的挑戰(zhàn)。這一創(chuàng)新方法不僅能夠提高診斷各種醫(yī)療狀況的準(zhǔn)確性和效率，尤其在腫瘤學(xué)領(lǐng)域，還為腦腫瘤的診斷提供了一種新的思路。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣本選擇
在實(shí)驗(yàn)中對(duì)五種不同的腦腫瘤進(jìn)行了區(qū)分，包括膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、腦膜瘤、髓母細(xì)胞瘤、室管膜下瘤和低級(jí)別膠質(zhì)瘤。這些腫瘤在組織結(jié)構(gòu)和病理特征上存在顯著差異，而偏振特性則受到其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和組成屬性的影響。例如，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤由于細(xì)胞和細(xì)胞外結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性較高，表現(xiàn)出更復(fù)雜的偏振圖案；而腦膜瘤由于其纖維性較強(qiáng)，展現(xiàn)出獨(dú)特的雙折射特性。通過(guò)結(jié)合偏振成像和DLSA，能夠根據(jù)這些固有差異，來(lái)區(qū)分不同的腦腫瘤類型。

成像實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
光學(xué)裝置與實(shí)驗(yàn)流程
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用了一種精心設(shè)計(jì)的光學(xué)裝置，包括相干光源、空間濾波器、偏振態(tài)生成器、偏振態(tài)分析器和圖像傳感器。通過(guò)產(chǎn)生六種不同的偏振態(tài)，并在偏振態(tài)分析器單元中應(yīng)用相同的六種偏振態(tài)，能夠從每個(gè)樣本中獲得36張參數(shù)化圖像。這些圖像被視作一系列散斑圖案數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的動(dòng)態(tài)激光散斑分析。

數(shù)據(jù)處理與分析方法
通過(guò)對(duì)這些偏振圖像應(yīng)用一系列數(shù)值和圖形統(tǒng)計(jì)方法，能夠根據(jù)組織樣本的獨(dú)特偏振影響散斑特征來(lái)區(qū)分不同的組織類型。例如，時(shí)間歷史散斑圖案（ THSP）通過(guò)追蹤36張偏振圖像中3000個(gè)隨機(jī)點(diǎn)的強(qiáng)度值，展示了不同腫瘤類型之間的顯著差異。此外，灰度共生矩陣（GLCM）進(jìn)一步揭示了樣本對(duì)不同偏振態(tài)的敏感性，能通過(guò)分析強(qiáng)度值的變化和分布，更深入地了解樣本的偏振特性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同類型的腦腫瘤在偏振響應(yīng)上存在顯著差異。例如，低級(jí)別膠質(zhì)瘤的 GLCM顯示出更高的分散度，表明其偏振活性較高。此外，自相關(guān)（AC）曲線和香農(nóng)熵（SE）等分析結(jié)果也揭示了不同腫瘤類型在偏振特性上的差異。這些結(jié)果表明，偏振驅(qū)動(dòng)的DLSA能夠有效地區(qū)分不同類型的腦腫瘤，為腦腫瘤的診斷提供了一種新的、無(wú)需標(biāo)記的成像方法。

總結(jié)與展望
偏振驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)激光散斑分析技術(shù)的出現(xiàn)，為腦腫瘤的診斷提供了一種全新的視角。通過(guò)巧妙地結(jié)合偏振成像和動(dòng)態(tài)激光散斑分析，不僅克服了傳統(tǒng)偏振成像在圖像形成和數(shù)據(jù)解釋上的局限性，還為組織樣本的分析提供了一種更為全面和深入的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效地區(qū)分不同類型的腦腫瘤，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。但這項(xiàng)技術(shù)仍處于初步階段，未來(lái)的研究需要在更大的樣本量上進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)參數(shù)和分析方法。此外，將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)引入到數(shù)據(jù)分析中，有望進(jìn)一步提高診斷的準(zhǔn)確性和效率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，偏振驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)激光散斑分析有望在臨床診斷中發(fā)揮重要作用，為腦腫瘤患者帶來(lái)更準(zhǔn)確、更及時(shí)的診斷方案，從而改善患者的治療效果和生活質(zhì)量。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Vahid Abbasian, Vahideh Farzam Rad, Parisa Shamshiripour, Davoud Ahmadvand, Arash Darafsheh. Polarization-driven dynamic laser speckle analysis for brAIn neoplasms differentiation[J]. Light: Advanced Manufacturing 5, 43(2024).

DOI:10.37188/lam.2024.043