作为一种电磁波，光具有强度、波长、相位和偏振等基本特性。其中光的偏振属于矢量性质，其高维度的特性决定了偏振的测量和表征较为复杂。由于人眼可以直接或间接观察到光的强度、颜色（波长）、相位信息，因此基于上述基本属性的光学方法发展历史较为悠久，在生物医学领域应用广泛。与此相比，人眼不具有感知偏振的能力，因此基于偏振的光学方法发展相对较晚。然而近年来随着新的精密偏振器件、探测器，及测量优化校准方法不断出现，偏振光学方法具有的独特优势正在引起关注。如今，偏振光学已在多个领域发挥着重要作用，覆盖从基础物理，如量子物理研究到各类应用，如材料表征以及生物医学检测等方方面面。因其具备携带的信息量大、无需外源性标记、兼容各类已有光学仪器等诸多优势，偏振光学方法在生物医学研究及临床实践中得到越来越广泛的应用。
图1 光的偏振性质及和生物样品的作用
近日，清华大学深圳国际研究生院何宏辉、马辉团队与牛津大学何超、Martin Booth团队应邀撰写评述文章，简要介绍了偏振光学基础，系统总结了在生物医学研究中偏振测量及成像技术的应用现状，面向生物医学样本的偏振信息提取和参数分析的方法，并展示了在薄样本透射偏振成像/厚组织反射偏振成像中的典型应用，以及和其他技术结合的多模态生物医学检测方法等。综述文章讨论了若干近期的偏振成像测量技术突破，最后展望了偏振光学方法在生物医学研究领域未来的发展方向。
图2 穆勒矩阵及其内部“编码”的物理信息
通过介绍偏振光学应用于生物医学领域的基本数学工具，作者将生物医学偏振计和椭偏测量术的发展进行对比，总结了复杂散射体系与非散射体系偏振测量需求的差异。考虑到生物医学样品，如组织、细胞等常常具有较为显著的散射特性，因此常用一个四维斯托克斯矢量描述光的偏振状态，此时入射光与样品的散射相互作用可由一个4×4偏振变换矩阵-即穆勒矩阵表征，其第一个矩阵元代表我们熟知的非偏振光学特征，其余阵元反映样品的不同偏振光学属性。由此可见，偏振光学方法可提供样品的大量信息。此外，由于光的偏振态调制器件不影响光的传播方向，通过在光路中增加偏振器件即可在保持显微镜、内窥镜等原有光学成像及测量设备工作方式不变的情况下，拓展其获取生物医学样品微观结构信息的能力。针对生物医学应用，综述进一步的沿着偏振测量及成像技术-偏振信息提取与参数分析-组织和细胞的偏振成像及测量应用等三个方面进行了系统回顾总结。综述最后结合当下快速发展的机器学习、非线性光学、超表面等技术，对偏振光学方法在生物医学研究及临床应用中的未来发展方向进行了展望，为相关研究提供了指导性作用。
图3 偏振生物医学方法的潜在多模态连用
相关内容近期以“面向生物医学和临床应用的偏振光学”（Polarisation optics for biomedical and clinical applications: a review）为题发表于自然出版集团旗下顶尖学术期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications），并被选为Editors’Highlights及封面文章。论文第一作者为清华大学医学院生物医学工程系2013级工程硕士、现牛津大学圣约翰学院（St John’s College）独立教职青年研究员、博士生导师何超，论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院何宏辉副教授，牛津大学何超青年研究员和Martin J. Booth教授。论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院马辉教授、常金涛博士，清华大学医学院生物医学工程系硕士生陈斌国。本研究得到深圳市科技计划基础研究（学科布局）等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00639-x
文/图：生物医药与健康工程研究院
编辑：李敏辉
头图设计：申巍
