Поляризационные эффекты

Традиционно считается, что в силу случайного характера структуры биотканей происходит быстрая деполяризация света при его распространении в них и поэтому поляризационные эффекты, как правило, не учитываются. Однако в ряде случаев (неплотные биоткани, такие как ткани глаза; монослои клеток; поверхностные слои ткани, например, кожа, слизистые оболочки и т.п.) степень поляризации прошедшего или отраженного света оказывается вполне измеряемой даже при значительной толщине ткани. При этом информативными параметрами, характеризующими структуру биотканей и ансамблей клеток, являются как степень деполяризации первоначально поляризованного света, характер преобразования поляризации из одного вида в другой, так и появление поляризованного компонента в рассеянном свете при облучении объекта неполяризованным излучением.

В практическом плане ожидается, что поляризационные методы должны привести к более простым, по сравнению с временными и фазово-частотными методами, схемам оптической медицинской томографии или существенно их дополнить, давая принципиально новую информацию о структуре биоткани. Различные биоткани или одни и те же, но в различных патологических или функциональных состояниях, должны демонстрировать разный отклик на зондирование светом с линейной и круговой поляризацией, что может быть использовано как в оптической медицинской томографии, так и при определении оптических и спектроскопических параметров биотканей. Показано, что длина деполяризации (длина, на которой распространяющийся поляризованный свет теряет свою поляризацию) в биотканях должна быть близка к средней транспортной длине пробега фотона l_d, т.к. эта длина характеризует расстояние, на котором направление распространения света после многих последовательных актов рассеяния становится полностью случайным, а, следовательно, случайной становится и, например, плоскость поляризации линейно поляризованного света.

Поскольку l_d определяется значением параметра анизотропии рассеяния g, то и длина деполяризации должна существенно зависеть от этого параметра. Действительно, экспериментальные данные для длины деполяризации линейно поляризованного света l_p, определенной как длина, на которой отношение интенсивностей ортогонально поляризованных компонентов оптического поля I _|| / I _^ уменьшается до 2, демонстрируют такую связь. В зависимости от от толщины образца и типа ткани это отношение изменялось от 300 до 1. Оказалось, что значения l_p сильно различаются для белого вещества мозга и ткани его корковой области 0,19 и 1,0 мм (l = 476 - 514 нм) и 0,23 и 1,3 мм (l = 633 нм), соответственно. Дерма кожи человека (без крови) имеет длину деполяризации 0,43 мм (l @ 500 нм) и 0,46 мм (l = 633 нм). Длина деполяризации на l @ 500 нм уменьшается при патологическом изменении ткани стенки аорты: 0,54 мм (норма), 0,39 мм (стадия известкования) и 0,33 мм (стадия некротической язвы). Цельная кровь с низким гематокритом имеет значительную длину деполяризации на l = 633 нм, около 4 мм, что и отражает зависимость от транспортной длины, т.е. параметра g, значение которого для крови является наибольшим среди многих типов биотканей и оценивается на уровне 0,98 - 0,99.

Экспериментально установлено, что степень линейной поляризации (P = (I _|| - I _^) /(I _|| + I _^)) сохраняется на уровне P £ 0,1 в пределах 2,5 транспортных длин l_d. Например, для кожи в длинноволновом видимом и ближнем ИК m_a @ 0,4 см^-1 и m^¢_s @ 20 см^-1, l_d @ 0,48 мм. Следовательно, свет может распространяться в коже на длине @ 1,2 мм, сохраняя еще линейную поляризацию. Такой путь в биоткани соответствует временной задержке порядка 5,3 пс, что позволяет получать поляризационные образы макро неоднородностей с эквивалентным пространственным разрешением, получаемом при селекции фотонов более сложными временными методами. Помимо селекции диффузно рассеянных фотонов поляризационная визуализация позволяет исключать зеркальное отражение от поверхности биоткани, тем самым, в частности визуализировать микрососуды кожи лица, а также регистрировать двулучепреломление и оптическую активность поверхностных слоев ткани.

Поляризационная диагностика сравнительно прозрачных биологических тканей и жидкостей с использованием лазерного поляризационного нефелометра, регистрирующего полную матрицу рассеяния (матрицу Мюллера), достаточно хорошо развита. Лазерная поляризационная нефелометрия успешно используется для in vitro исследований различных тканей глаза от роговицы до ретины; оптических и структурных параметров эритроцитов: показателя преломления, степени сферулированности, плотности упаковки и степени агрегированности; суспензий различных типов биологических частиц, включая различные виды бактерий, она также перспективна для более эффективного дифференцирования клеток крови в пролетной цитометрии. In vivo измерения поляризационных характеристик отдельных структур глаза - роговицы, хрусталика, стекловидного тела и ретины должны позволить осуществлять раннюю диагностику катаракты, глаукомы, внутриглазных кровоизлияний и т.п.