偏振光的原理探究与其在医学领域的实际应用

2020-07-09弓中强

广西物理 2020年3期

弓中强

(山西医科大学晋祠学院，山西太原 030025)

1 引言

光的干涉与衍射表明光具有波动性，而光的偏振则表明光波属于横波。随着人们不断加深对光的研究，推动了偏振光原理及应用的认知与发展，让偏振光在科学研究及人们生产生活中发挥着愈发重要的作用。目前，偏振光技术已经成为光学技术中的重要部分，其应用范围十分广泛，如化学、大气、海洋、医学等领域之中。本文侧重对偏振光的原理及其在医学领域的应用进行探讨。

2 认知偏振光

光作为一种横波，其电矢量E 振动方向与光传播方向垂直。光的偏振属于横波的特有现象，依据E 的不同振动状态，可大致将其分为三种。

2.1 自然光

首自然光属于非偏振光。普通光源发出光的传播方向与任意方向光的振动矢量相垂直，振幅与传播方向以对称轴形式呈现，每一个方向振幅均相等，此种光可称其为自然光或非偏振光。

2.2 完全偏振光

（1）线偏振光。光在振动平面中，振动方向为一条直线，光矢量仅沿着固定方向进行振动，而振动幅度则随着相位改变而变化，此种偏振光即为线偏振光。

（2）椭圆偏振光。在振动平面上，光的振动方向以椭圆形式呈现，表明随着光传播方向光的振动不断旋转，且在传播过程中，其方向与大小均有一定规律变化，则可称其为椭圆偏振光。

（3）圆偏振光.在振动平面上，光的振动方向以圆形方式呈现，表明随着光传播方向光的振动不断旋转，但仅改变方向，大小则并无变化，此种偏振光可称其为圆偏振光。

2.3 部分偏振光

光矢量在与传播平面垂直时可选取任意方向，而不同方向的振幅也有所差异，某一方向存在较强的光震动，与之垂直的方向存在较弱的光震动，可称其为部分偏振光。

3 偏振光的产生及检偏

3.1 偏振光的产生

偏振光产生主要有三种常见途径：（1）线偏振光在自然光中获得的过程可称其为偏振，需要利用起偏器。起偏器中最简单的是起偏片，利用偏振片将自然光转化为拥有的二向色性，此种方法简单便捷[1]。其中，二向色性指的是特定物质在特定方向中可吸收光的振动，长链垂直方向电子无法运动，只能通过相垂直的方向运动，让自然光在经过偏振片后变为线偏振光。可将偏振片同光方向称作偏振化方向（2）利用反射与折射获取偏振光，此种方法中，平行于入射面的光应当大于垂直于入射面的光，光学玻璃中反射光的强度时入射光强度的7.5%，通过此种方法可得到线偏振光。（3）利用双折射原理或晶体自身特定得到偏振光，光束通过晶体后可实现双折射，将其分离成寻常光与非寻常光两种。

3.2 偏振光的检偏

可利用偏振片对光的偏振状态进行检查，偏振片检测工具即为检偏器。自然光拥有各向同性的光矢量振动强度，即各个方向振幅相同，因此可以将光矢量分解为相互垂直的两个分量，平行于偏振化方向的无损通过，垂直于偏振化方向的通不过。

即：I1=I0/2其中，表示通过一个偏振片后的光强，I0表示自然光的强度。利用偏振片所获得的偏振光强度与入射光振动夹角及检偏器偏振化方向有一定关联。当θ=±2kπ(k=0、1、2、3···)时，则通过偏振片光强度最大，I2=I1；而当θ=(2k+1)π(k=0、1、2、3···)时，则通过偏振片光强度为0。偏振片若是旋转一周，通过偏振片可得到两次消光与两次最强光。依据马吕斯定律，线偏振光强度为I1时透过检偏器则透射光强公式为：I2=I1cos2θ，其中，θ是检偏器主截面与入射光振动方向的夹角。

光沿着传播方向旋转检偏器后，光的强度会产生周期性变化，分别出现两次极小与极大。根据此种情况，可区分线偏振光、其他偏振光与自然光。

4 偏振光技术在医学领域的实际应用

4.1 角膜诊疗应用

汶角膜为眼球最外层纤维膜，是曲率半径为8mm，厚度为1mm 具有光学各向异性的晶体。其处于眼球最外层，易受到外界感染、外伤等侵犯，对视力造成严重影响。眼科检查中，常用裂隙灯显微镜进行眼部基本体格的检查。角膜折射率是1.376，以Fresnel 反射理论为依据计算后，角膜前表面反射光强度相较于内表面反射光强更高，无法清晰观察病灶[2]。因此，可在使用裂隙灯过程中，放置正交线偏振片在被检眼前，可有效将角膜反射减少。自然光通过起偏器进入被检眼，通过折射后偏振光利用介质双折射性，分解为非寻常光与寻常光，可将原有偏振方向改变。依据Malus 定律，通过检偏器检测角膜内表面反射光，可将病灶特征更加清晰的显示出来，进而利用偏振光与裂隙灯显微镜结合检查，可有效将成像效率提高。

另外，依据偏振光技术开发出手持式偏振皮血管镜，可将其用在皮肤恶性肿瘤诊断之中。其原理是通过偏振光将皮肤标签反射光减弱，让液体介质不与皮肤接触情况下观察病灶，而在角膜诊疗中，可将其用于角膜异物检查与处理之中，判断角膜损伤范围，并及时查看患者角膜恢复情况，将角膜染色步骤删除，可以降低患者痛苦。

4.2 青光眼诊疗应用

青光眼属于多因素造成的视神经退行性疾病，伴有视网膜与视乳头病理性形态改变，将会造成不可逆的视功能损伤。视网膜神经纤维层变薄为青光眼早期诊断的关键部分。而通过偏振激光扫描偏振仪（SLP），可自动化定量检测视神经纤维厚度。其原理是以神经纤维层双折射特点为依据，在共焦激光扫面检眼镜前添加一个偏振器，利用入射光与测量反射光相位延迟，检测神经纤维层厚度，是由偏振测试系统、偏振调试器、检测仪、偏振补偿器、激光扫描检眼镜构成[3]。在检测过程中，若是神经纤维层较厚，则相位延迟越大。相位延迟值的变化与视野损害变化相同，且具有更高敏感度。但是，SLP 存在一定缺点，无法对视网膜纵向分辨，视网膜厚度显示也不属于实际厚度，是相位延迟厚度，仅可将相对厚度变化体现出来。而将眼底OCT与偏振光技术相结合，可通过OCT 清洗呈现视网膜纵向成像，达到精准检测视神经纤维厚度的目的。

而在青光眼术后，滤过通道瘢痕组织中包含成胶原纤维及纤维细胞，具有各向异性与双折射特点，偏振光对此具有较高敏感性，结合眼前节DCT，可评估偏振光成像，能够对不同类型滤过泡相位延迟差异进行观察，掌握术后治疗效果。

4.3 红外偏振光治疗仪

红外偏振光治疗仪主要是选择在人体投射窗口中0.6-1.6μm 之间的光源波长，通过直线偏振（91%以上偏振度）处理后，可增强光功率，达到更深的照射深度，提高治疗效果。组织吸收红外偏振光后具有激活作用，可称其为“弱偏振光激活效应”，被激活分子可解离为生物效应物质，进而对机体自身蛋白质合成、离解、酶的活性等造成影响。治疗中选择偏振光档位，利用多波段低功率复合光照射效果，偏振光方向轴中可产生符合光谐振点，此谐振点在人体皮肤上作用后，可提高皮肤温度，为将治疗效果提高，治疗仪温度通常控制在37℃左右，可保证人体内酶活性处于最佳状态[4]。光谱适当区段、计量偏振光作用在人体部位，受照射组织可产生刺激应答性反应，从分子层面对核酸及蛋白质合成进行调整，调节人体免疫力，消除病理。

红外偏振光治疗仪可应用与多项医疗治疗之中，如止疼消炎、调节机体、照射神经干与神经节等，适用于肩周炎、三叉神经痛、膝关节病、韧带炎、过敏性鼻炎等。

4.4 细胞热损伤检测

肿瘤热疗可利用热效应将肿瘤细胞中多种蛋白、生物膜、细胞骨架等破坏，促进肿瘤细胞凋亡，但是热作用同样会对其他正常细胞功能、结构、生长代谢等造成损伤，温度越高损伤则越严重，而若是加热温度过低，则会促使肿瘤转移，需要研究热处理杀死肿瘤细胞却不对正常细胞造成损伤的方法。因此，可应用偏振光显微成像技术，当光束入射到样品中，出射光收到其信息调制可携带物质偏振信息，以Mueller 原理为依据，确定入射光偏振状态后，出射光偏振状态在以物质偏振特定所决定，出射光可将物质偏振特定展现出来，以此获得物体的偏振信息。并且，为提高成像区分度，将偏振变量与RGB 颜色空间相结合，可通过不同颜色表示偏振特定，提高偏振信息识别能力。

在应用过程中，需要建立细胞损伤模型，利用偏振片互相正交的共焦显微成像系统测细胞各向异性，入射光在各向异性中才能改变其偏振状态，经过检偏器后被探测器探测。之后，通过检测的光强度值构建二维图像，依据敏感区域判断样品是否存在各向异性，从而分析热疗后细胞损伤状态。

4.5 生物医学领域检测

利用偏振光原理制作而成的偏振显微镜，近几年广泛运用于生物医学检验方面，相比普通光成像显微镜，它能显示出愈加丰富的生物微观结构的信息，有利于疾病准确诊断。近些年来，恶性肿瘤已经变成威胁人类健康的疾病之一，其发病率越来越增高。因为癌症大多在初期来源于浅表的组织，而偏振光原理成像刚好就可提升浅表组织成像的质量，因此，运用偏振光原理去诊断早期癌症的方法就得到广泛运用。据调查，偏振光原理已经广泛用于检测皮肤癌、甲状腺癌、宫颈癌和肠癌等多种初期癌症。笔者做了以下两组具有典型代表性的癌细胞切片样品的显微成像试验：

在图1（C）我们能观察到，检测切片线性相位的延迟参数值整个看来比较小几乎接近0，然而相位的延迟参数值明显比其他区域偏大的是左下一小块区域。因此，结合病理学诊断（同时对照染色切片），这一检测样品除开左侧一小区域的宫颈组织正常外，其余很大一部分均为宫颈鳞状上皮癌的组织。