Polarimetric methods for the image enhancement in biological applications

Abstract

Des de la invenció del microscopi al segle XVII, l’ús de tecnologies d’imatge ha estat fonamental per a l’estudi de teixits biològics. Al llarg dels segles, s’han anat desenvolupant i implementant noves tecnologies d’imatge per tal de millorar la visualització del teixits biològics i facilitar la comprensió de la seva estructura a partir de la mesura d’algunes de les seves propietats físiques. En aquest context, la polarimetria és una interessant tècnica òptica no invasiva que s’ha utilitzat per a la millora d’imatges en diversos camps com l’astronomia, la teledetecció i la caracterització de materials. A més, la polarimetria es pot combinar amb altres tècniques òptiques per millorar, encara més, la visualització de mostres. La polarimetria compren un conjunt de mètodes òptics basats en mesurar la polarització de la llum i com aquesta varia a l’interactuar amb les mostres. En aquesta tesi, s’estudien, s’implementen experimentalment i s’apliquen per primera vegada en l’anàlisi de teixits biològics alguns mètodes polarimètrics recentment proposats en la literatura (així com de nous) per tal de millorar la visualització de teixits animals i vegetals. En l’àmbit de la biomedicina, el potencial d’utilitzar la polarització està demostrat en una gran varietat d’estudis. Aquests estudis solen basar-se en dos grups de tècniques polarimètriques: tècniques anomenades Portes de Polarització (de l’anglès “Polarization Gating”) i tècniques basades en la matriu de Mueller. En aquesta tesi, s’investiga la relació que hi ha entre aquests dos grups de tècniques polarimètriques i proposem un nou mètode polarimètric més general que permet analitzar diferents configuracions de “Polarization Gating” a partir de la mesura experimental d’una sola matriu de Mueller. Respecte els estudis biomèdics basats en la matriu de Mueller, diferents propietats polarimètriques (diatenuació, retard i despolarització) són analitzades en base a observables per tal d’obtenir informació física relacionada amb l’estructura dels teixits biològics i també per incrementar la seva visualització. En aquests estudis, el retard és analitzat en profunditat mitjançant la descomposició de Lu-Chipman i el càlcul del retard lineal, el retard circular, i l’orientació de l’eix ràpid, entre d’altres. En canvi, l’anàlisi de la despolarització es restringeix al càlcul d’observables que quantifiquen la despolarització global de les mostres i no permeten l’estudi d’informació més específica, com poden ser possibles anisotropies en aquest procés de despolarització. Per aquest motiu, en aquesta tesi s’estudien diferents observables que descriuen amb més detall les propietats de despolarització de la mostra per, posteriorment, ser aplicats per millorar la visualització dels teixits animals mesurats. En aquest sentit, uns observables anomenats Índexs de Puresa Polarimètrica (de l’anglès “Indices of Polarimetric Purity”) són aplicats en l’estudi de teixits d’origen animal. Aquests observables són utilitzats per millorar la visualització dels teixits, revelant certes estructures ocultes en els canals de despolarització estàndard, i també per classificar diferents teixits d’origen animal amb una millor eficiència. Finalment, també estudiem l’ús de la polarització per a l’anàlisi de teixits d’origen vegetal. A diferència dels teixits d’origen animal, la polarimetria és molt menys utilitzada en l’anàlisi de plantes, sent els mètodes basats en la matriu de Mueller molt poc usats. Per aquesta raó, en aquesta tesi s’estudia el potencial de la polarimetria de Mueller per a l’anàlisi de teixits d’origen vegetal i es comparen els resultats amb els obtinguts amb algunes tècniques polarimètriques i no polarimètriques comunament utilitzades. Com a resultat, la polarimetria de Mueller és un mètode polarimètric òptim per a l’obtenció d’imatges de teixits d’origen vegetal que, a més a més, es pot utilitzar com una eina complementària a les altres tècniques òptiques no polarimètriques.

Desde la invención del microscopio en el siglo XVII, el uso de tecnologías de imagen ha sido fundamental para el estudio de tejidos biológicos. A lo largo de los siglos, se han desarrollado e implementado nuevas tecnologías de imágenes para mejorar la visualización de los tejidos biológicos y facilitar la comprensión de su estructura a partir de la medición de algunas de sus propiedades físicas. En este contexto, la polarimetría es una interesante técnica óptica no invasiva que se ha utilizado para la mejora de imágenes en diversos campos como la astronomía, la teledetección y la caracterización de materiales. Además, la polarimetría se puede combinar con otras técnicas ópticas para mejorar aún más la visualización de muestras. La polarimetría comprende un grupo de métodos ópticos que se basan en medir la polarización de la luz y cómo esta varía al interactuar con las muestras. En esta tesis, se estudian, se implementan experimentalmente y se aplican por primera vez en el análisis de tejidos biológicos algunos métodos polarimétricos propuestos recientemente en la literatura (así como nuevos) para mejorar la visualización de tejidos animales y vegetales. En el campo de la biomedicina, el potencial de la polarimetría se demuestra en una amplia variedad de estudios. Estos estudios se basan generalmente en dos grupos de técnicas polarimétricas: técnicas denominadas Puertas de Polarización (del inglés “Polarización Gating”) y técnicas basadas en matrices de Mueller. En esta tesis, investigamos la relación entre estos dos grupos de técnicas polarimétricas y proponemos un nuevo método polarimétrico más general que permite el análisis de diferentes configuraciones de “Polarization Gating” a partir de la medida experimental de una única matriz de Mueller. Respecto a los estudios biomédicos basados en la matriz de Mueller, diferentes propiedades polarimétricas (diatenuación, retardo y despolarización) son analizadas a partir de un grupo de observables para obtener información física relacionada con la estructura de los tejidos biológicos y también para mejorar su visualización. En estos estudios, el retardo es analizado en profundidad mediante la descomposición de Lu-Chipman y el cálculo del retardo lineal, el retardo circular y la orientación del eje rápido, entre otros. Por el contrario, el análisis de la despolarización se restringe al cálculo de observables que cuantifican la despolarización global de las muestras y no permiten el estudio de información más específica, como pueden ser posibles anisotropías en ese proceso de despolarización. Por ello, en esta tesis se estudian diferentes observables que describen con más detalle las propiedades de despolarización de la muestra para, posteriormente, ser aplicados para mejorar la visualización de los tejidos animales medidos. En ese sentido, los parámetros denominados Índices de Pureza Polarimétrica (del inglés “Indices of Polarimetric Purity”) se aplican para inspeccionar los tejidos de origen animal. Estos observables de despolarización se utilizan para mejorar la visualización de tejidos, revelando ciertas estructuras ocultas en canales de despolarización estándar, y también para clasificar con mayor eficiencia diferentes tejidos de origen animal. Finalmente, también estudiamos el uso de la polarimetría para el análisis de tejidos de origen vegetal. A diferencia de los tejidos de origen animal, la polarimetría se utiliza mucho menos en el ámbito del análisis de plantas, siendo las técnicas basadas en Mueller muy poco utilizadas. Por este motivo, esta tesis estudia el potencial de la polarimetría de Mueller para el análisis de tejidos de origen vegetal y compara los resultados obtenidos con los obtenidos con algunas técnicas polarimétricas y no polarimétricas de uso común. Como resultado, la polarimetría de Mueller es un método polarimétrico óptimo para la obtención de imágenes no invasivas de tejidos de origen vegetal que, además, puede utilizarse como herramienta complementaria a otras técnicas ópticas no polarimétricas.

Since the invention of the microscope in the 17th century, the use of imaging technologies has been fundamental in the study of biological tissues. Over the centuries, new imaging technologies have been developed and implemented to enhance the visualization of tissues and ease the understanding of their structure from the measurement of some of their physical properties. In that context, polarimetry is an interesting non-contact and non-invasive optical technique that has been used for image enhancement in a wide range of fields such as astronomy, remote sensing, and characterization of materials. Moreover, polarimetry can be combined with other optical techniques to further improve the visualization of samples.

Polarimetry comprises a group of optical methods that are based on measuring the polarization of light and how it varies when interacting with samples. In this thesis, some polarimetric methods recently proposed in the literature (as well as new ones) are studied, experimentally implemented, and applied for the first time in the analysis of biological tissues to improve the visualization of animal and plant tissues.

In the field of biomedicine, the potential of polarimetry is demonstrated in a wide variety of studies. These studies are usually based on two groups of polarimetric techniques: Polarization Gating techniques and Mueller matrix-based techniques. In this thesis, we investigate the relationship between these two groups of polarimetric techniques and we propose a new generalized polarimetric method that allows the analysis of different Polarization Gating configurations from a single Mueller matrix measurement.

Concerning to the biomedical studies based on the Mueller matrix, different polarimetric properties (diattenuation, retardance, and depolarization) are analyzed from a group of observables to obtaining physical information related to the structure of biological tissues and also to enhance their visualization. In these studies, retardance is completely studied through the Lu-Chipman decomposition and the calculation of the linear retardance, the circular retardance, and the orientation of the fast axis, among others. By contrast, the analysis of depolarization content is restricted to the calculation of observables that quantify the overall depolarization of samples and do not allow the study of more specific information, as can be possible anisotropies in that depolarization process. For that reason, in this thesis, different observables that further describe the depolarization properties of the sample are studied to, afterwards, be applied for visualization enhancement of the measured animal tissues. In that sense, the parameters called Indices of Polarimetric Purity are applied to inspect animal tissues. These depolarizing observables are used to improve tissue visualization, revealing certain structures hidden in standard depolarization channels, and also to classify, with improved efficiency, different animal tissues.

Finally, we also study the use of polarimetry for the analysis of plant tissues. Unlike animal tissues, polarimetry is much less used in the plant analysis framework, being Mueller-based techniques scarcely used. For this reason, this thesis studies the potential of Mueller polarimetry for plant tissue analysis and compares the obtained results with those obtained with some commonly used polarimetric and non-polarimetric techniques. As a result, Mueller polarimetry is an optimal polarimetric method for obtaining non-invasive images of plant tissues that, in addition, can be used as a complementary tool to other non-polarimetric optical techniques.