1、第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA02100031基于穆勒矩阵成像全阵元曲线的癌变组织识别高君朝1，2，黄丹飞1，2，张乐超1，2，宋东3，洪景辉3，张丽丽1，2，唐鸿宇1，2，周尧1，2（1 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）（2 长春理工大学中山研究院，中山 528437）（3 吉林大学第一医院，长春 130021）摘要：改进原有背向穆勒矩阵成像装置，采集未染色肺癌、乳腺癌切片，基于穆勒矩阵各阵元的物理含义，借鉴光谱数据生成偏振立方体，纵向提取任意像素全阵元曲线，展示曲线
2、特有的穆勒矩阵信息分析方式。采用夹角余弦曲线分类方法，对照病理标注生成混淆矩阵。其中肺癌、乳腺癌精度可达89.59%、87.82%，高倍率乳腺癌精度为 77.52%。全阵元曲线较单一阵元分类准确率更高。本文方法的可视化分析、像素分类、跨尺度特性表明在偏振检测领域有很大的挖掘空间以及应用潜力。关键词：偏振成像；穆勒矩阵；癌变组织；特征提取；病理切片检测中图分类号：O436.3 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02100030 引言根据国际癌症研究机构统计数据，全球新增癌症人数共计 1 929万人左右，中国新增癌症患者 457万人，占比 23.7%，成为癌症新增人
3、数最多的国家1。癌症作为全球第二大常见死亡原因，已成为当前全球共同面对的持续性公共卫生挑战2。现如今，癌症最成熟的治疗方法为手术切除，判断是否切除干净依靠人工病理切片检测。手术过程需要反复确认病变组织是否切除干净，每次检测都需要制作病理切片人工检测。病理切片制作繁琐耗时，通常将病变组织包埋在石蜡块里，用切片机切成薄片，再用苏木精伊红（H-E）染色。人工切片检测确认过程时间长效率极低。因此临床急需一种跳过染色过程、精确、快速、高灵敏、非接触、无损伤、高安全性等特点的辅助检测手段。偏振是独立于光强、波长、相位之外的一个新的信息维度。偏振成像光学检测技术基本步骤为利用入射光照射样品探测出射光，所获取
4、入射光和出射光的差异即为样品的物理信息。偏振成像是一种无创、无标记、非接触的光学检测技术。常由穆勒（Mueller）矩阵来表征探测的偏振信息。已经被证明穆勒矩阵成像包含丰富的生物微观结构信息，应用于各种病理组织3。穆勒矩阵信息量大，不仅包含非偏振的光强变化信息，还能提供额外 15个阵元的信息。穆勒矩阵成像跨尺度的特性，即使在低分辨率和宽场条件下也能获取微观结构编码丰富的信息4。成像结果既有较大的视野范围，同时还能反映微观结构信息的分布情况。通过斯托克斯矢量获得穆勒矩阵的 16 个元素，必须在不同偏振调制下测量至少 16 个独立的强度图像5。穆勒矩阵求解采用基于双波片旋转法的穆勒矩阵 30次测量
5、装置6，能够达到的精度在 102量级。尽管偏振检测技术具有信息大、兼容强、尺度广等优势，但穆勒矩阵的各个阵元值同样品的微观结构没有直接的联系，混合了大量影响因素（散射、传播、样品角度、厚度等等），不易表征。要得到样品微观结构特征的特异性指标，目前研究的较多信息提取主要在两个方面，一方面从物理学的基本原理出发，建立起严谨的理引用格式：GAO Junzhao，HUANG Dangfei，ZHANG Lechao，et al.Cancer Tissue Recognition by Muller Matrix Imaging Full Array Curve J.Acta Photonica Sin
6、ica，2023，52（2）：0210003高君朝，黄丹飞，张乐超，等.基于穆勒矩阵成像全阵元曲线的癌变组织识别 J.光子学报，2023，52（2）：0210003基金项目：国家自然科学基金(No.61893096014)第一作者：高君朝，通讯作者：黄丹飞，huangd_收稿日期：2022 09 23；录用日期：2022 11 28http:/光子学报02100032论，提出分离7或者变换的方法，此方法对数据成像质量要求很高，分解变换出有用信息但也同样保留了干扰信息，并且信息展示多局限于二维空间差异信息提取。另一方面，直接跳过解释过程，制备大量数据，借助机器学习端到端寻找特异性指标8，但机器学
7、习对特征提取过程解释性差，训练繁琐耗时过长，并且不适用原有穆勒矩阵的阵元分析方式。通过研究的不断深入，穆勒矩阵阵元存储的偏振物理学信息及其影响逐渐被解读。本文将从改造原有背向穆勒矩阵成像系统光源以及入射方向入手，提高成像质量。并继续采用双波片旋转 30次的测量方式生成穆勒矩阵，但区别于以往数据分析和处理方式。借助整理归类的穆勒矩阵物理信息，链接全新的排列次序，类比遥感领域光谱数据处理方法生成穆勒矩阵数据立方体。纵向以像素为单位提取全阵元曲线。全阵元曲线调用整体偏振特征，同时也方便开展单独偏振性质分析。借鉴光谱角制图用于抵消光路夹角带来系统误差的方法，遍历整个二维空间实现目标分类，此方法耗时短易
8、于实现。在此基础之上，样品选用未染色肺癌以及乳腺癌病理切片，依照上述方法，开展对信息可视化分析，特征提取分类，跨尺度实验。结果证明，区别于常用的二维图像观测方式，像素级全阵元信息观测目标选取更灵活，观测形式更多变，抗干扰能力更强，对癌变非癌变及背景区分度好精度较高。跨尺度特性实现低倍率成像依旧能完成特征提取。跳过染色过程以及辅助人工检测，对临床缩短病理检测时间有十分重要的意义。1 材料和方法1.1装置及原理实验室搭建于光学平台的双波片偏振成像穆勒矩阵检测系统，配合波片旋转采集 30组光强图像生成穆勒矩阵。该装置主要开展病理切片癌变检测原理验证，已实现偏振信息提取，穆勒矩阵求解分解等功能9。保留
9、原有机械转动调制的方法，与相位延迟调制相比，不易受温度影响。但是原有系统光源采用裸漏 LED灯珠焊接，没有灯罩和聚光镜片导致出射散光漏光干扰严重。原有光路斜入射的图像采集方式成像重影和干扰很大。综上，经改进之后背向穆勒矩阵测量实验装置及原理图如图 1所示。系统光源更换为带有反射灯罩和聚光镜面的卤素灯，波长 633 nm 的窄带滤光片。线偏振片工作波长400700 nm，消光比大于 1 000 1，直径 25.4 mm，透过率大于 80%。二相混合式驱动器（SJ2H504DM，常州双杰）驱动两个电控旋转台（北光世纪公司的 MAS102 系列精密电控旋转台，其传动比为 180 1，最大速度25/s
10、，刻度盘分度为 1，分辨率 0.000 2，重复定位精度小于 0.005），夹持 1/4波片（武汉优光科技的胶合真零级波片，型号为 WPF4225-633，工作波长为 633 nm，尺寸=25.4 mm）。相机采用 QHYCCD 所生产的QHL-II-M 系列相机。相机感光面像素大小 5.2 m，分辨率 1 2801 024，最大帧率为 30帧/s，有效像素数130万，接口为 1.25英寸，量子效应在 633 nm 波长时可以达到 60%。相机垂直样品采集，避免捕获镜面反射光。受成像工作距离和旋转台尺寸限制，入射光和出射光最小角度约 30。图 1背向穆勒矩阵测量实验装置及原理Fig.1Expe
11、rimental device and schematic diagram for measuring backward Mueller matrix高君朝，等：基于穆勒矩阵成像全阵元曲线的癌变组织识别02100033光波任意的偏振状态（即光波电矢量的振动状态）都可以用四个可测量的光强量组成的一个四维的数学矢量（即 Stokes向量）来表达。用 Stokes向量来描述入射光和出射光，两个光的 Stokes向量可以用一个描述介质的 44的矩阵联系起来。入射偏振光与介质相互作用后，出射的偏振光的特征由一个新的 Stokes向量 S描述，则入射光的 S与 S之间可以由一个矩阵联系起来。IQUV=M1
12、1 M12 M13 M14M21 M22 M23 M24M31 M32 M33 M34M41 M42 M43 M44IQUV（1）穆勒矩阵包含了被测样品的全部偏振光学特征信息。获取偏振信息即是寻找特异性指标的过程，而特异性指标蕴藏于穆勒矩阵各元素之中。穆勒矩阵包含样品的全部偏振性质。而基本的偏振性质包含二向色性、起偏、相位延迟、退偏。二向色性描述透射（或反射）光强随入射偏振态的变化，偏振态的方向性为 Stokes向量首项为 1 下最大差异程度。因此对应穆勒矩阵二向色性的 0，45和圆二向色性三个分量存储在第一行阵元中。起偏是指光与样品相互作用后偏振度增加的现象，出射光的 Stokes向量由样品
13、穆勒矩阵的第一列决定，因此对应穆勒矩阵起偏对应穆勒矩阵首列。相位延迟即存在两个速度最大差异的本征偏振态，电场振动产生的时间延迟。退偏表明偏振度下降的情况，退偏器的穆勒矩阵可简化为对角形式。样品的方位角取向不确定是偏振检测中现实存在的问题10。相对偏振方向偏离，二向色性的值基本不变，但相位延迟和散射退偏值会增加。保证镜片垂直和运动位置准确，可最大程度减小影响。入射光强相对分布不均匀是影响穆勒矩阵的不可忽视的问题。相对光强强度偏差越大，二向色性和相位延迟值增加，散射退偏值则减小。因此尽量缩减入射光的角度就能保证相对光强偏差减小。但机械转动调制方法的入射角度不能消除，因此要从算法上选择减小入射角度影
14、响的分类方法。穆勒矩阵成像装置，在原有二维平面强度信息拓展了偏振的信息维度。而在遥感领域的光谱数据，在原有二维平面强度信息拓展了波段的信息维度。两者都是对光进行了调制拓展纵向维度信息，区别只是所代表的物理含义不同。图像分类方法中，光谱角度填图（Spectral Angle Mapping，SAM）即夹角余弦方法，是成像光谱图像处理技术中谱形识别的主要方法之一。原理是将立体数据视为多维空间的矢量，利用解析方法计算未知谱线与目标谱线之间矢量的夹角，根据夹角的大小来确定谱线间的相似程度，以达到识别分类的目的。角度求解公式为()x*，xi=arccos xTix*()xi()x*=arccos xTi
15、x*()x*Tx*()xiTxi（2）式中，为未知向量 x*和已知向量 xi的夹角。此分类法适合于谱形总体相似性分析的图像分类。可以改善光强和入射角度引起的谱线变形，其优越性显而易见。夹角余弦分类方法依据是谱线的矢量方向而非矢量的长度。由于矢量的长度关联到影像亮度而角分类法对亮度值的影响并不敏感。正是由于此方法仅仅需要谱线矢量的方向而不关注影像本身的亮度。因此将其应用于偏振数据的分析，对偏振方向上的光强分量并不敏感，直接缓解系统成像夹角对系统穆勒矩阵的影响。光谱角填图法，是比较端元光谱向量和每一个像素的向量在 n维空间中的角度。角度越小代表与参考光谱越匹配，当像素比特定的最大角度的弧度阈值更大
16、的时候就不会被分类。应用于偏振数据，使用光谱角度描述并不准确，但阈值依据为所设定余弦夹角弧度，因此后文将其统一叙述为夹角余弦方法。1.2穆勒矩阵阵元分析穆勒矩阵反映的是样品的偏振信息。面光源穆勒矩阵成像适用于均匀和非均匀散射介质，研究表明各个穆勒矩阵元也反映了样品的大量信息11。测量样品的穆勒矩阵并不困难，均匀散射体样品（如球状散射体聚苯乙烯小球）结构单一尚能依靠理论解释，但针对复杂结构样品（如病理组织）根据穆勒矩阵获取有用光子学报02100034的信息十分困难。穆勒矩阵拥有 16 个阵元，整体的物理意义可以分为四个部分，光强信息、二向色性、起偏能力、散射退偏和相位延迟12，如图 2 穆勒矩阵阵元信息示意图所示，M11反应样品对入射光束强度的影响；M12、M13、M14反应样品对入射光波二向色性的影响；M21、M31、M41反应样品对入射光波中非偏振光的影响；其余分量反应样品对入射光波退偏振和相位延迟特性的影响。随着研究的不断深入，穆勒矩阵的部分阵元其含义逐渐被认识12。二向色性信息中 M14的值与圆二向色性相关。M21、M31阵元与非偏振光起偏性质成反比。穆勒矩阵的 M24、M34阵
