基于偏振信息的癌變細(xì)胞特征提取技術(shù)

趙冰玉，宋正勛，，于淼，張丹麗

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 國(guó)家納米操縱與制造國(guó)際聯(lián)合研究中心，長(zhǎng)春 130022）

由于光學(xué)成像方法具有無(wú)損傷、非入侵等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，越來(lái)越多的研究者將光學(xué)成像應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中，而偏振信息在成像技術(shù)中的應(yīng)用也逐漸受到廣泛關(guān)注[1-4]。在偏振光的傳播過(guò)程中，因物體結(jié)構(gòu)不同，光與物體相互作用其偏振態(tài)所發(fā)生變化也不同；物體散射光的偏振信息，能反映光通過(guò)物體后偏振信息發(fā)生變化的情況[5，6]，根據(jù)光偏振信息的變化就可以解算出物體的偏振信息。在光發(fā)生散射過(guò)程中，根據(jù)光傳輸會(huì)受到散射介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響而導(dǎo)致其偏振信息發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)接收光的偏振信息進(jìn)行檢測(cè)、解算，可以獲取散射介質(zhì)的微觀情況。

上個(gè)世紀(jì)末已開(kāi)始研究將偏振方法應(yīng)用于癌癥檢測(cè)[7]；癌癥早期階段，細(xì)胞癌變大多源于淺表組織，而偏振光成像方法能夠提高淺表層組織的成像對(duì)比度，所以偏振光成像方法具有成為檢測(cè)早期癌癥手段的潛力。細(xì)胞的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光照射細(xì)胞時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，細(xì)胞的散射光會(huì)攜帶細(xì)胞的偏振信息[8]，研究細(xì)胞的散射光特性，對(duì)分析細(xì)胞的偏振特性有重要作用。

常用的表征生物組織的偏振態(tài)及其變化的方法為Stokes-Mueller方法，考慮到生物組織大多屬于強(qiáng)散射介質(zhì)，偏振光在其中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生散射退偏，因而目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中，采用Mueller矩陣方法研究生物組織樣品偏振特性[12-14]。近期利用偏振光檢測(cè)癌變的技術(shù)手段中，被測(cè)樣品都為生物組織；將被測(cè)樣品改為細(xì)胞，只需極少量樣本便可檢測(cè)細(xì)胞是否發(fā)生病變，可極大地減少人們可能受到的創(chuàng)傷，對(duì)醫(yī)學(xué)發(fā)展和人類健康問(wèn)題的解決具有重大意義。

本文用偏振成像方法對(duì)人體正常肝細(xì)胞和肝癌細(xì)胞進(jìn)行成像，對(duì)獲得的偏振圖像進(jìn)行處理，得到Mueller矩陣圖像；而Mueller矩陣各陣元之間存在相互耦合，要從Mueller矩陣中提取出能夠反映細(xì)胞樣品的特征參數(shù)，引入了使用Mueller矩陣變換[15]方法。

1 Mueller矩陣圖像的獲取與處理

1.1 斯托克斯矢量

十九世紀(jì)中期，英國(guó)數(shù)學(xué)家斯托克斯提出斯托克斯矢量，斯托克斯矢量能夠表描述出光的偏振態(tài)，即(S0，S1，S2，S3)T。斯托克斯參量能夠表示任意偏振態(tài)，光的電矢量S分量振幅Es和P分量振幅Ep及相位差δ與四個(gè)斯托克斯參量的關(guān)聯(lián)如式（1）所示：

1.2 Mueller矩陣

偏振光照射在目標(biāo)介質(zhì)表面后，反射光的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生變化。用斯托克斯矢量表示如式（2）所示：

式中，S代表入射光的斯托克斯矢量；S′代表反射光的斯托克斯矢量；M即為Mueller矩陣。根據(jù)式（2）可以看出，Mueller矩陣M為中間變量，通過(guò)測(cè)量入射光和反射光的斯托克斯矢量就可以很容易求出Mueller矩陣。但是，根據(jù)前文的介紹可知，S和S′都是一組1×4的向量。因此，Mueller矩陣M是一組4×4的系數(shù)矩陣，如式（3）所示：

1.3 測(cè)量Mueller矩陣的理論推導(dǎo)

W.S.Bickel等人闡明了任何性質(zhì)散射體的Mue11er矩陣陣元和偏振信息測(cè)量之間的關(guān)系，提出了使用線偏振器和1/4波片組合成起偏器和檢偏器的巧妙方法進(jìn)行組合測(cè)量獲得Mue11er矩陣[9-11]。斯托克斯矢量的第一個(gè)元素表示光強(qiáng)，該元素能夠直接測(cè)量得到。通常調(diào)節(jié)入射光依次與起偏器P1、1/4波片ω1、被測(cè)對(duì)象M、1/4波片ω2、檢偏器P2作用，最后由探測(cè)器測(cè)量光強(qiáng)，客觀多對(duì)光強(qiáng)組合形成的偏振態(tài)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)起偏器P1、1/4波片ω1、1/4波片ω2、檢偏器P2至不同角度，可得到一系列方程。實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)采用見(jiàn)表1所示的組合方式。表1需要測(cè)量36個(gè)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其他文獻(xiàn)則采用16個(gè)或49個(gè)組合狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

Mueller矩陣各元素的計(jì)算公式，如式（4）所示，利用Matlab軟件解得矩陣，獲取Mueller矩陣圖樣。

2 測(cè)量方法和Mueller矩陣圖像獲取

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了一套Mueller矩陣顯微成像系統(tǒng)，如圖1所示，用于采集生物細(xì)胞的偏振圖像并對(duì)其進(jìn)行圖像處理獲取其Mueller矩陣圖。Mueller矩陣偏振顯微成像裝置包括LED面光源、光闌、偏振片（2片）、1/4波片（2片）、光學(xué)顯微鏡筒、CCD相機(jī)和圖像采集設(shè)備。如圖1所示，由光源經(jīng)過(guò)一個(gè)光闌，再經(jīng)過(guò)一個(gè)起偏器和1/4波片之后入射到待測(cè)樣品上，經(jīng)樣品散射的光經(jīng)過(guò)一個(gè)1/4波片和檢偏器之后由CCD相機(jī)進(jìn)行成像探測(cè)。CCD相機(jī)采集到的一組偏振態(tài)圖片，再經(jīng)Matlab處理，獲取樣本的Mueller矩陣。

圖1 Mueller矩陣圖像采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，偏振片1和1/4波片1組成起偏器，1/4波片2和偏振片組成檢偏器，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器的方位角來(lái)獲取不同的偏振圖像，方位角根據(jù)表1進(jìn)行調(diào)整（規(guī)定以垂直入射面的方向?yàn)?°）。調(diào)整好光路，然后用CCD拍下36種組合的實(shí)驗(yàn)圖像。該實(shí)驗(yàn)對(duì)肝癌細(xì)胞和肝細(xì)胞進(jìn)行圖像采集，如圖2所示，為肝癌細(xì)胞和肝細(xì)胞光強(qiáng)圖像。

圖2 細(xì)胞光強(qiáng)圖像

利用Matlab處理所采集到的偏振圖像得到其Mueller矩陣，對(duì)圖2中肝癌細(xì)胞和肝細(xì)胞的36幅偏振態(tài)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行處理，如圖3所示，得到其對(duì)應(yīng)的Mueller矩陣圖像。

圖3 細(xì)胞Mueller矩陣圖像

為了獲得反映樣品微觀結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，需要從Mueller矩陣等偏振表征量中分離提取與樣品角度無(wú)關(guān)，僅僅體現(xiàn)本征屬性的成像指標(biāo)。上述對(duì)Mueller矩陣進(jìn)行的分析為Mueller矩陣變換。表達(dá)式即：

表1 偏振態(tài)組合

肝癌細(xì)胞Mueller矩陣變換參數(shù)圖像，如圖4所示，用Matlab獲取肝癌細(xì)胞Mueller矩陣變換各參數(shù)平均值，其中肝癌細(xì)胞b參數(shù)平均值為0.1636，A參數(shù)平均值為0.0537，x參數(shù)平均值為-0.1773；肝細(xì)胞的Mueller矩陣變換參數(shù)圖像，如圖5所示，用Matlab獲取肝細(xì)胞Mueller矩陣變換各參數(shù)平均值，其中肝癌細(xì)胞b參數(shù)平均值為0.0995，A參數(shù)平均值為0.0652，x參數(shù)平均值為-0.2493。

Mueller矩陣變換參數(shù)中的A和b參數(shù)均與樣品的各向異性程度相關(guān)，其中b參數(shù)反映被測(cè)樣品的散射退偏能力，Mueller矩陣變換參數(shù)中的x參數(shù)則體現(xiàn)了各向異性纖維狀結(jié)構(gòu)的取向分布。對(duì)人體肝癌細(xì)胞和肝細(xì)胞Mueller矩陣變換的參數(shù)圖像分析可以得出，肝癌細(xì)胞的Mueller矩陣變化參數(shù)b高于正常肝細(xì)胞的b參數(shù)，肝癌細(xì)胞的散射退偏能力和各向異性程度強(qiáng)于肝細(xì)胞；肝癌細(xì)胞的Mueller矩陣變化參數(shù)A、x低于正常肝細(xì)胞的x參數(shù)，肝癌細(xì)胞的各向異性纖維狀結(jié)構(gòu)的取向分布程度弱于肝細(xì)胞。

3 結(jié)論

本文給出了一種Mueller矩陣圖像的獲取方式，并對(duì)Mueller矩陣圖像的偏振信息進(jìn)行了Mueller矩陣變換處理。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖像對(duì)比中可以看出，Mueller矩陣圖像同樣含有大量的偏振信息，由于Mueller矩陣具有16個(gè)元素，且每個(gè)元素中都分別含有不同的信息，但沒(méi)有明確的物理意義。通過(guò)對(duì)Mueller矩陣進(jìn)行Mueller矩陣變換處理，可得到有物理意義的相關(guān)參數(shù)，從而可以區(qū)分肝細(xì)胞的癌變程度。通過(guò)Mueller矩陣變換，還可以獲得樣品的各向異性、角度取向等信息，通過(guò)引入圖像處理算法，能夠更好地提高識(shí)別精度，可為癌癥早期診斷提供理論依據(jù)，以進(jìn)一步應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究。

圖4 肝癌細(xì)胞MMT變換參數(shù)圖像

圖5 肝細(xì)胞MMT變換參數(shù)圖像