偏振光的原理探究與其在醫(yī)學領域的實際應用

弓中強

(山西醫(yī)科大學晉祠學院，山西 太原 030025)

1 引言

光的干涉與衍射表明光具有波動性，而光的偏振則表明光波屬于橫波。隨著人們不斷加深對光的研究，推動了偏振光原理及應用的認知與發(fā)展，讓偏振光在科學研究及人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。目前，偏振光技術已經(jīng)成為光學技術中的重要部分，其應用范圍十分廣泛，如化學、大氣、海洋、醫(yī)學等領域之中。本文側重對偏振光的原理及其在醫(yī)學領域的應用進行探討。

2 認知偏振光

光作為一種橫波，其電矢量E 振動方向與光傳播方向垂直。光的偏振屬于橫波的特有現(xiàn)象，依據(jù)E 的不同振動狀態(tài)，可大致將其分為三種。

2.1 自然光

首自然光屬于非偏振光。普通光源發(fā)出光的傳播方向與任意方向光的振動矢量相垂直，振幅與傳播方向以對稱軸形式呈現(xiàn)，每一個方向振幅均相等，此種光可稱其為自然光或非偏振光。

2.2 完全偏振光

（1）線偏振光。光在振動平面中，振動方向為一條直線，光矢量僅沿著固定方向進行振動，而振動幅度則隨著相位改變而變化，此種偏振光即為線偏振光。

（2）橢圓偏振光。在振動平面上，光的振動方向以橢圓形式呈現(xiàn)，表明隨著光傳播方向光的振動不斷旋轉(zhuǎn)，且在傳播過程中，其方向與大小均有一定規(guī)律變化，則可稱其為橢圓偏振光。

（3）圓偏振光.在振動平面上，光的振動方向以圓形方式呈現(xiàn)，表明隨著光傳播方向光的振動不斷旋轉(zhuǎn)，但僅改變方向，大小則并無變化，此種偏振光可稱其為圓偏振光。

2.3 部分偏振光

光矢量在與傳播平面垂直時可選取任意方向，而不同方向的振幅也有所差異，某一方向存在較強的光震動，與之垂直的方向存在較弱的光震動，可稱其為部分偏振光。

3 偏振光的產(chǎn)生及檢偏

3.1 偏振光的產(chǎn)生

偏振光產(chǎn)生主要有三種常見途徑：（1）線偏振光在自然光中獲得的過程可稱其為偏振，需要利用起偏器。起偏器中最簡單的是起偏片，利用偏振片將自然光轉(zhuǎn)化為擁有的二向色性，此種方法簡單便捷[1]。其中，二向色性指的是特定物質(zhì)在特定方向中可吸收光的振動，長鏈垂直方向電子無法運動，只能通過相垂直的方向運動，讓自然光在經(jīng)過偏振片后變?yōu)榫€偏振光?？蓪⑵衿夥较蚍Q作偏振化方向（2）利用反射與折射獲取偏振光，此種方法中，平行于入射面的光應當大于垂直于入射面的光，光學玻璃中反射光的強度時入射光強度的7.5%，通過此種方法可得到線偏振光。（3）利用雙折射原理或晶體自身特定得到偏振光，光束通過晶體后可實現(xiàn)雙折射，將其分離成尋常光與非尋常光兩種。

3.2 偏振光的檢偏

可利用偏振片對光的偏振狀態(tài)進行檢查，偏振片檢測工具即為檢偏器。自然光擁有各向同性的光矢量振動強度，即各個方向振幅相同，因此可以將光矢量分解為相互垂直的兩個分量，平行于偏振化方向的無損通過，垂直于偏振化方向的通不過。

即：I1=I0/2其中，表示通過一個偏振片后的光強，I0表示自然光的強度。利用偏振片所獲得的偏振光強度與入射光振動夾角及檢偏器偏振化方向有一定關聯(lián)。當θ=±2kπ(k=0、1、2、3···)時，則通過偏振片光強度最大，I2=I1；而當θ=(2k+1)π(k=0、1、2、3···)時，則通過偏振片光強度為0。偏振片若是旋轉(zhuǎn)一周，通過偏振片可得到兩次消光與兩次最強光。依據(jù)馬呂斯定律，線偏振光強度為I1時透過檢偏器則透射光強公式為：I2=I1cos2θ，其中，θ是檢偏器主截面與入射光振動方向的夾角。

光沿著傳播方向旋轉(zhuǎn)檢偏器后，光的強度會產(chǎn)生周期性變化，分別出現(xiàn)兩次極小與極大。根據(jù)此種情況，可區(qū)分線偏振光、其他偏振光與自然光。

4 偏振光技術在醫(yī)學領域的實際應用

4.1 角膜診療應用

汶角膜為眼球最外層纖維膜，是曲率半徑為8mm，厚度為1mm 具有光學各向異性的晶體。其處于眼球最外層，易受到外界感染、外傷等侵犯，對視力造成嚴重影響。眼科檢查中，常用裂隙燈顯微鏡進行眼部基本體格的檢查。角膜折射率是1.376，以Fresnel 反射理論為依據(jù)計算后，角膜前表面反射光強度相較于內(nèi)表面反射光強更高，無法清晰觀察病灶[2]。因此，可在使用裂隙燈過程中，放置正交線偏振片在被檢眼前，可有效將角膜反射減少。自然光通過起偏器進入被檢眼，通過折射后偏振光利用介質(zhì)雙折射性，分解為非尋常光與尋常光，可將原有偏振方向改變。依據(jù)Malus 定律，通過檢偏器檢測角膜內(nèi)表面反射光，可將病灶特征更加清晰的顯示出來，進而利用偏振光與裂隙燈顯微鏡結合檢查，可有效將成像效率提高。

另外，依據(jù)偏振光技術開發(fā)出手持式偏振皮血管鏡，可將其用在皮膚惡性腫瘤診斷之中。其原理是通過偏振光將皮膚標簽反射光減弱，讓液體介質(zhì)不與皮膚接觸情況下觀察病灶，而在角膜診療中，可將其用于角膜異物檢查與處理之中，判斷角膜損傷范圍，并及時查看患者角膜恢復情況，將角膜染色步驟刪除，可以降低患者痛苦。

4.2 青光眼診療應用

青光眼屬于多因素造成的視神經(jīng)退行性疾病，伴有視網(wǎng)膜與視乳頭病理性形態(tài)改變，將會造成不可逆的視功能損傷。視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層變薄為青光眼早期診斷的關鍵部分。而通過偏振激光掃描偏振儀（SLP），可自動化定量檢測視神經(jīng)纖維厚度。其原理是以神經(jīng)纖維層雙折射特點為依據(jù)，在共焦激光掃面檢眼鏡前添加一個偏振器，利用入射光與測量反射光相位延遲，檢測神經(jīng)纖維層厚度，是由偏振測試系統(tǒng)、偏振調(diào)試器、檢測儀、偏振補償器、激光掃描檢眼鏡構成[3]。在檢測過程中，若是神經(jīng)纖維層較厚，則相位延遲越大。相位延遲值的變化與視野損害變化相同，且具有更高敏感度。但是，SLP 存在一定缺點，無法對視網(wǎng)膜縱向分辨，視網(wǎng)膜厚度顯示也不屬于實際厚度，是相位延遲厚度，僅可將相對厚度變化體現(xiàn)出來。而將眼底OCT與偏振光技術相結合，可通過OCT 清洗呈現(xiàn)視網(wǎng)膜縱向成像，達到精準檢測視神經(jīng)纖維厚度的目的。

而在青光眼術后，濾過通道瘢痕組織中包含成膠原纖維及纖維細胞，具有各向異性與雙折射特點，偏振光對此具有較高敏感性，結合眼前節(jié)DCT，可評估偏振光成像，能夠?qū)Σ煌愋蜑V過泡相位延遲差異進行觀察，掌握術后治療效果。

4.3 紅外偏振光治療儀

紅外偏振光治療儀主要是選擇在人體投射窗口中0.6-1.6μm 之間的光源波長，通過直線偏振（91%以上偏振度）處理后，可增強光功率，達到更深的照射深度，提高治療效果。組織吸收紅外偏振光后具有激活作用，可稱其為“弱偏振光激活效應”，被激活分子可解離為生物效應物質(zhì)，進而對機體自身蛋白質(zhì)合成、離解、酶的活性等造成影響。治療中選擇偏振光檔位，利用多波段低功率復合光照射效果，偏振光方向軸中可產(chǎn)生符合光諧振點，此諧振點在人體皮膚上作用后，可提高皮膚溫度，為將治療效果提高，治療儀溫度通常控制在37℃左右，可保證人體內(nèi)酶活性處于最佳狀態(tài)[4]。光譜適當區(qū)段、計量偏振光作用在人體部位，受照射組織可產(chǎn)生刺激應答性反應，從分子層面對核酸及蛋白質(zhì)合成進行調(diào)整，調(diào)節(jié)人體免疫力，消除病理。

紅外偏振光治療儀可應用與多項醫(yī)療治療之中，如止疼消炎、調(diào)節(jié)機體、照射神經(jīng)干與神經(jīng)節(jié)等，適用于肩周炎、三叉神經(jīng)痛、膝關節(jié)病、韌帶炎、過敏性鼻炎等。

4.4 細胞熱損傷檢測

腫瘤熱療可利用熱效應將腫瘤細胞中多種蛋白、生物膜、細胞骨架等破壞，促進腫瘤細胞凋亡，但是熱作用同樣會對其他正常細胞功能、結構、生長代謝等造成損傷，溫度越高損傷則越嚴重，而若是加熱溫度過低，則會促使腫瘤轉(zhuǎn)移，需要研究熱處理殺死腫瘤細胞卻不對正常細胞造成損傷的方法。因此，可應用偏振光顯微成像技術，當光束入射到樣品中，出射光收到其信息調(diào)制可攜帶物質(zhì)偏振信息，以Mueller 原理為依據(jù)，確定入射光偏振狀態(tài)后，出射光偏振狀態(tài)在以物質(zhì)偏振特定所決定，出射光可將物質(zhì)偏振特定展現(xiàn)出來，以此獲得物體的偏振信息。并且，為提高成像區(qū)分度，將偏振變量與RGB 顏色空間相結合，可通過不同顏色表示偏振特定，提高偏振信息識別能力。

在應用過程中，需要建立細胞損傷模型，利用偏振片互相正交的共焦顯微成像系統(tǒng)測細胞各向異性，入射光在各向異性中才能改變其偏振狀態(tài)，經(jīng)過檢偏器后被探測器探測。之后，通過檢測的光強度值構建二維圖像，依據(jù)敏感區(qū)域判斷樣品是否存在各向異性，從而分析熱療后細胞損傷狀態(tài)。

4.5 生物醫(yī)學領域檢測

利用偏振光原理制作而成的偏振顯微鏡，近幾年廣泛運用于生物醫(yī)學檢驗方面，相比普通光成像顯微鏡，它能顯示出愈加豐富的生物微觀結構的信息，有利于疾病準確診斷。近些年來，惡性腫瘤已經(jīng)變成威脅人類健康的疾病之一，其發(fā)病率越來越增高。因為癌癥大多在初期來源于淺表的組織，而偏振光原理成像剛好就可提升淺表組織成像的質(zhì)量，因此，運用偏振光原理去診斷早期癌癥的方法就得到廣泛運用。據(jù)調(diào)查，偏振光原理已經(jīng)廣泛用于檢測皮膚癌、甲狀腺癌、宮頸癌和腸癌等多種初期癌癥。筆者做了以下兩組具有典型代表性的癌細胞切片樣品的顯微成像試驗：

在圖1（C）我們能觀察到，檢測切片線性相位的延遲參數(shù)值整個看來比較小幾乎接近0，然而相位的延遲參數(shù)值明顯比其他區(qū)域偏大的是左下一小塊區(qū)域。因此，結合病理學診斷（同時對照染色切片），這一檢測樣品除開左側一小區(qū)域的宮頸組織正常外，其余很大一部分均為宮頸鱗狀上皮癌的組織。

圖1 宮頸鱗狀癌切片偏振光顯微鏡分解圖（4 倍物鏡觀測，未經(jīng)染色處理）

圖2（B）（A）看出：甲狀腺癌組織切片樣品的癌變區(qū)域散射退偏的參數(shù)值，較正常區(qū)域數(shù)值明顯偏小，因為檢測樣品的正常組織區(qū)域數(shù)值明顯比癌變區(qū)域二向色性的參數(shù)值小很多。

圖2 甲狀腺癌切片偏振光顯微鏡分解圖（紅色虛線區(qū)域可能癌變區(qū)域，4 倍物鏡觀測，未經(jīng)染色處理）

圖1 圖2 顯示：偏振光顯微鏡圖像分解參數(shù)對于有效區(qū)分正常組織和部分癌變組織具有優(yōu)越性。這兩項實驗顯示，運用偏振顯微鏡不但能獲得檢測樣品的“相位延遲，二向色性，散射退偏”等大量組織結構信息，而且還具有檢測癌癥的潛能[5]。

5 總結

總之，偏振光是光學領域中極為重要的研究成果之一，可有效促進我國醫(yī)學領域科技的發(fā)展。通過分析光的類型及偏振光產(chǎn)生與檢偏，研究偏振光技術在角膜診療、青光眼診療、細胞熱損傷檢測、紅外偏振光治療儀等方面的應用，從而推動醫(yī)學領域科技的進一步發(fā)展。