Biomedical applications of Jones-matrix tomography to polycrystalline films of biological fluids

Algorithms for reconstruction of linear and circular birefringence-dichroism of optically thin anisotropic biological layers are presented. The technique of Jones-matrix tomography of polycrystalline films of biological fluids of various human organs has been developed and experimentally tested. The coordinate distributions of phase and amplitude anisotropy of bile films and synovial fluid taken from the knee joint are determined and statistically analyzed. Criteria (statistical moments of 3rd and 4th orders) of differential diagnostics of early stages of cholelithiasis and septic arthritis of the knee joint with excellent balanced accuracy were determined. Data on the diagnostic efficiency of the Jones-matrix tomography method for polycrystalline plasma (liver disease), urine (albuminuria) and cytological smears (cervical cancer) are presented

Mapping of polycrystalline films of biological fluids utilizing the Jones-matrix formalism

Utilizing a polarized light approach, we reconstruct the spatial distribution of birefringence and optical activity in polycrystalline films of biological fluids. The Jones-matrix formalism is used for an accessible quantitative description of these types of optical anisotropy. We demonstrate that differentiation of polycrystalline films of biological fluids can be performed based on a statistical analysis of the distribution of rotation angles and phase shifts associated with the optical activity and birefringence, respectively. Finally, practical operational characteristics, such as sensitivity, specificity and accuracy of the Jones-matrix reconstruction of optical anisotropy, were identified with special emphasis on biomedical application, specifically for differentiation of bile films taken from healthy donors and from patients with cholelithiasis

Relationship of the phase and amplitude parameters with anisotropy of Muller-matrix invariants

A new azimuthally stable polarimetric method for processing of microscopic images of optically anisotropic structures of different biological layers histological sections is proposed. A new model of phase anisotropy definition of biological tissues by using superposition of Mueller matrices of linear birefringence and optical activity is proposed. The matrix element M44 has been chosen as the main information parameter, which value is independent of rotation angle of both sample and probing beam polarization plane

Polarization-correlation optical microscopy of anisotropic biological layers

The theoretical background of azimuthally stable method of Jones-matrix mapping of histological sections of biopsy of myocardium tissue on the basis of spatial frequency selection of the mechanisms of linear and circular birefringence is presented. The diagnostic application of a new correlation parameter - complex degree of mutual anisotropy - is analytically substantiated. The method of measuring coordinate distributions of complex degree of mutual anisotropy with further spatial filtration of their high- and low-frequency components is developed. The interconnections of such distributions with parameters of linear and circular birefringence of myocardium tissue histological sections are found. The comparative results of measuring the coordinate distributions of complex degree of mutual anisotropy formed by fibrillar networks of myosin fibrils of myocardium tissue of different necrotic states - dead due to coronary heart disease and acute coronary insufficiency are shown. The values and ranges of change of the statistical (moments of the 1st - 4th order) parameters of complex degree of mutual anisotropy coordinate distributions are studied. The objective criteria of differentiation of cause of death are determined

Stokes-correlometry analysis of biological tissues with polycrystalline structure

Utilizing Stokes-correlometry analysis a new diagnostic approach has been introduced for quantitative assessment of polarization images of histological sections of optically anisotropic biological tissues with different morphological structures and physiological conditions. The developed approach is based on the quantitative assessment of coordinate and phase distributions of the Stokes vector of scattered light. A combined use of statistic, correlation, and fractal analysis is used for resolving variations in optical anisotropy of biological samples. The proposed combined application of the statistical, correlation, and fractal-based evaluates of spatial distributions of `single-point' polarization azimuth, ellipticity, and `two-point' Stokes vector parameters of polarization images of biological tissues histological sections demonstrates a high accuracy (Ac ≥ 90%) in monitoring of optical anisotropy variations within biological tissues

Поляризаційно-інтерференційне картографування мереж в полікристалічних дифузних біологічних тканинах

Актуальність. Розроблення нових технік комплексної поляриметричної 3D діагностики полікристалічних мереж біологічних тканин – актуальна задача біомедичної оптики. Таку можливість може забезпечити поєднання традиційних методів Мюллер-матричного та голографічного картографування фазово-неоднорідних шарів. Даний підхід відкриває перспективи дослідження розподілів лінійного та циркулярного двопроменезаломлення і дихроїзму полікристалічних мереж і структур в об’ємі біологічного шару. Така інформація є базисною у визначенні нових (у порівняні з традиційними даними Мюллер-матричної поляриметрії) критеріїв диференціальної діагностики різноманітних патологічних станів біологічних тканин органів людини. Мета роботи. Метою роботи є розробка та експериментальна апробація комплексу методів стокс-поляриметрії та інтерферометрії з використанням алгоритмів цифрової голографічної реконструкції амплітудно-фазової структури об’єктних полів для одержання взаємозв’язків між 3D розподілами мап деполяризації та особливостями полікристалічної структури гістологічних зрізів біологічних тканин різної морфологічної будови та фізіологічного стану. Матеріали і методи. В основу методу 3D Мюллер-матричного картографування покладено використання опорної хвилі лазерного випромінювання, яка в схемі оптичного інтерферометра накладається на поляризаційно-неоднорідне зображення біологічного шару. Результати. В процесі порівняльного аналізу мап деполяризації біологічних тканин з різною за геометричними масштабами морфологічною будовою ми виявили різну швидкість наростання ступеня деполяризації. Висновки. Запропоновано та обґрунтовано метод Мюллер-матричного картографування мап деполяризації деполяризуючих шарів біологічних тканин різної морфологічної будови і фізіологічного стану. Визначено залежності величини статистичних моментів 1-го – 4-го порядків, які характеризують пошарові розподіли значень ступеня деполяризації різних типів біологічних тканин. Проведено дослідження можливостей диференціації доброякісних (аденома) і злоякісних (карцинома) змін гістологічних зрізів біопсії тканини простати

Методи і засоби азимутально-інваріантної мюллер-матричної поляриметрії оптично-анізотропних біологічних шарів

Актуальність. Серед багаточисельних методів поляриметричного дослідження структури біологічних тканин особливе місце займає Мюллер-матрична поляриметрія (ММП). Даний метод дає виключно повну інформацію про поляризаційні прояви оптичних властивостей полікристалічної структури біологічних тканин різноманітних органів людини. Новим кроком у розвитку даної методики стало координатне картографування розподілів величини матричних елементів – Мюллер-матричних зображень (ММЗ). Проте, практичне застосування Мюллер-матричного методу у рутинній лабораторній практиці обмежено. Величина 12 із 16 елементів матриці Мюллера є залежною від повороту зразку відносно напряму опромінення. Тому актуальним є подальший розвиток та узагальнення методик ММП з використанням координатних розподілів набору Мюллер-матричних інваріантів (ММІ) – азимутально незалежних елементів матриці Мюллера, їхніх комбінацій, матричних векторів та кутів між ними. Мета роботи. Робота спрямована на теоретичне обґрунтування та експериментальну розробку метода азимутально-інваріантної поляриметрії частково-деполяризуючих оптично-анізотропних біологічних шарів на основі координатного Мюллер-матричного картографування гістологічних зрізів для диференціальної діагностики змін оптичної анізотропії, які пов’язані з виникненням патологічних станів. Результати. Запропоновано та обґрунтовано метод азимутально-інваріантного Мюллер-матричного картографування на прикладі оптично анізотропних зразків гістологічних зрізів міокарда. Одержано розподіли величини азимутально-інваріантного матричного елементу, суперпозиції матричних елементів та величини матричного вектору. Висновки. Визначено залежності величин статистичних моментів 1-го – 4-го порядків, які характеризують розподіли величин Мюллер-матричних інваріантів (ММІ) гістологічних зрізів міокарда. Проведено з позицій доказової медицини дослідження можливостей диференціації причини настання смерті внаслідок ішемічної хвороби серця (ІХС) та гострої коронарної недостатності (ГКН)

Fourier filtering of linear and circular birefringence in cancer diagnosis

It has been proposed an optical model of linear and circular birefringence polycrystalline structure of biological crystallites. Method of polarizing optical mapping of anisotropic polycrystalline networks with spatial frequency filtering azimuth coordinate distributions of laser radiation polarization in Fourier-plane is analytically proved. Also was made an analytical study of the effectiveness of the method spatial-frequency selection in differentiation distributions azimuth field of laser radiation

Differential 3d mueller-matrix mapping of optically anisotropic depolarizing biological layers

The paper consists of two parts. The first part is devoted to the short theoretical basics of the method of differential Mueller-matrix description of properties of partially depolarizing layers. It was provided the experimentally measured maps of differential matrix of the 2nd order of polycrystalline structure of the histological section of rectum wall tissue. It was defined the values of statistical moments of the1st-4th orders, which characterize the distribution of matrix elements. In the second part of the paper it was provided the data of statistic analysis of birefringence and dichroism of the histological sections of connecting component of vagina wall tissue (normal and with prolapse). It were defined the objective criteria of differential diagnostics of pathologies of vagina wall