Elliptically polarized light for depth resolved diffuse reflectance imaging in biological tissues

Abstract

Polarization gating imaging is a popular and widely used imaging technique in biomedical optics to sense tissues, deeper volumes, and also selectively probe sub-superficial volumes. Due to the "polarization memory" effect of polarized light, elliptical polarization-gating allows access to tissue layers between those of accessible by linear or circular polarizations. As opposed to the conventional linearly polarized illumination, we focus on polarization gating methods that combine the use of elliptically polarized light to select polarization maintaining photons and eliminate the background while providing superior contrast and depth information. With gating, it has also become possible to access user-defined depths (dependent on optical properties) in biological tissues with the use of images at different ellipticities. Furthermore, this investigation allowed the application of polarization gating in spectroscopy to selectively quantify the concentration of tissue chromophores at userdesired depths. Polarization gating methods have been validated and demonstrated with in vivo experiments on abnormalities of human skin (nevus, burn scar) and also on the exposed cortex of an anaesthetized rat. Finally, as a first step towards the use of coherent illumination, adding the concept of polarimetry to laser-speckle imaging was demonstrated. Preliminary tests on phantoms (solid and liquid) suggested evidence of the influence of polarization ellipticity on the formation and behaviour of speckles, which could pave the way for more insight in the study of blood flow in tissues.

L’imagerie de filtrage en polarisation est une technique populaire largement utilisée en optique pour le biomédical pour le sondage des tissus superficiels, pour le sondage de volumes plus profonds, mais aussi pour l’examen sélectif de volumes sub-surfaciques. Du fait de l’effet de ’mémoire de polarisation’ de la lumière polarisée, l’imagerie de filtrage en polarisation elliptique est sensible à des épaisseurs de tissus différentes, depuis la surface, accessible avec la polarisation linéaire, jusqu’à une épaisseur critique accessible par la polarisation circulaire. Nous nous concentrons sur des méthodes utilisant des combinaisons de polarisations elliptiques afin de sélectionner la portion de lumi ère ayant maintenu son état de polarisation et éliminer le fond pour un meilleur contraste avec, de plus, une information sur la profondeur. Avec ce type de filtrage, il est possible d’accéder à des profondeurs de tissus biologiques bien définies (selon ses propriétés optiques) selon l’ellipticité de polarisation. De plus, ces travaux ont permis d’étendre la méthode à la spectroscopie pour quantifier sélectivement la concentration en chromophores à une profondeur spécifique. Les méthodes développées ont été validées in vivo à l’aide d’expériences réalisées sur des anomalies de la peau (grain de beauté, cicatrice de brûlure) et aussi sur le cortex exposé d’un rat anesthésié. Enfin, une étude préliminaire a été réalisée pour examiner la possibilité d’étendre la méthode à l’imagerie de tavelures (speckle). Des tests Préliminaires réalisés sur fantômes (solides et liquides) montrent l’influence de l’ellipticité de polarisation sur la formation et le comportement du speckle, ce qui offre la possibilité d’accéder à des informations sur le flux sanguin à des profondeurs spécifiques dans les tissus.

"Polarization gating imaging" es una técnica de imagen muy popular y ampliamente empleada en óptica biomédica con el fin de caracterizar tejidos y sondear volúmenes subsuperficiales de manera selectiva incluso a regiones profundas. Debido al efecto conocido como memoria de polarización de la luz polarizada, la técnica de "polarization gating" elíptica permite el acceso a capas de tejido que, de otro modo, no son accesibles mediante polarización lineal y circular. En contra de la iluminación linealmente polarizada convencional, nuestro estudio se centra en los métodos de "polarization gating" en combinación con luz elípticamente polarizada. Esto permite discriminar aquellos fotones que mantienen una polarización concreta, eliminando así el fondo al mismo tiempo que proporciona un mayor contraste y profundidad de campo, incrementando notablemente la información extraída. Gracias a esta técnica es posible el acceso a distintas profundidades en tejidos biológicos definidas por el usuario (dependiendo de las propiedades ópticas) mediante el empleo de imágenes a distinta elipticidad. Es más, este estudio ha permitido la aplicación del método "polarization gating" a la espectroscopia con el fin de cuantificar la concentración de ciertos cromóforos presentes en tejidos biológicos de manera selectiva y a distintas profundidades deseadas. Los métodos de "polarization gating" han sido validados, establecidos y demostrados en experimentos in-vivo sobre anomalías en tejidos epiteliales humanos (nervios, cicatrices por quemadura) y también en el córtex expuesto de una rata anestesiada. Finalmente, como primer paso en el uso de iluminación coherente, se ha añadido y demostrado el concepto de polarimetría a la técnica de speckle imaging por láser. Los test preliminares en "phantoms" (tanto en sólido como en líquido) arrojan indicios sobre una influencia de la polarización elíptica en la formación y comportamiento de la distribución de las motas (speckle), lo cual podría abrir nuevas puertas y dar un nuevo enfoque sobre la comprensión de la circulación de la sangre en los tejidos.