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物理学 > 医学物理

arXiv:2501.00630 (physics)
[提交于 2024年12月31日 ]

标题: 太赫兹波段组织结构引起的米氏散射:高衰减组织仿体中扩散偏振成像的实验与蒙特卡罗验证

标题: Mie scattering due to tissue structures in the terahertz regime: Experimental and Monte Carlo verification using diffused polarimetric imaging in highly attenuating tissue phantoms

Authors:Erica Heller, Kuangyi Xu, Zachery Harris, M. Hassan Arbab
摘要: 意义:组织结构的变化发生在许多疾病过程中,例如癌性肿瘤的边界和烧伤损伤。 由米氏散射图案引起的太赫兹光的光谱和偏振变化有可能成为一种诊断标志。 目的:我们展示了对癌性肿瘤芽状物偏振太赫兹光的米氏散射的蒙特卡罗模拟分析,将模拟结果与在模型体模中获得的实验结果进行了比较,并对一例离体猪烧伤损伤的偏振敏感太赫兹扫描进行了分析。 方法:使用蒙特卡罗模拟,我们模拟了由于高度衰减组织中的散射粒子导致的宽带非镜面太赫兹光的漫射强度和偏振度的变化。 我们利用该模型提取了组织的穆勒矩阵,并分析了卢-奇普曼乘积分解矩阵。 我们将此模型与由不同大小的聚丙烯颗粒嵌入明胶中组成的四种体模的实验数据进行了比较。 最后,我们在离体猪皮肤样本上诱导了全层烧伤损伤,并比较了烧伤区域和健康区域的实验数据。 结果:模拟显示了随散射粒子大小变化的斯托克斯矢量和穆勒矩阵元素之间的对比。 实验体模结果显示,不同大小的散射粒子在偏振度和漫射强度之间存在对比,与蒙特卡罗模拟结果一致。 最后,我们展示了离体猪皮烧伤区域与健康区域之间的类似弥散成像信号对比。 结论:偏振太赫兹成像有可能检测出由生物疾病过程引起的结构变化。
摘要: Significance: Changes in the structure of tissue occur in many disease processes, such as the boundaries of cancerous tumors and burn injuries. Spectroscopic and polarimetric alterations of terahertz light caused by Mie scattering patterns has the potential to be a diagnostic marker. Aim: We present an analysis of Monte Carlo simulation of Mie scattering of polarized terahertz light from cancerous tumor budding, compare the simulation to experimental results obtained in phantom models, and present an analysis of a polarization-sensitive terahertz scan of an ex vivo porcine burn injury. Approach: Using a Monte Carlo simulation, we modeled the changes in diffuse intensity and degree of polarization of broadband off-specular terahertz light due to scattering particles in highly attenuating tissue. We extracted the Mueller matrix of the tissue using this model and analyzed the Lu-Chipman product decomposition matrices. We compared this model to experimental data from four phantoms consisting of polypropylene particles of varying sizes embedded in gelatin. Finally, we induced a full-thickness burn injury in ex vivo porcine skin samples and compared experimental data from burned and healthy regions of the tissue. Results: Simulation revealed contrast in the Stokes vectors and Mueller Matrix elements for varying scattering particle sizes. Experimental phantom results showed contrast between different sizes of scattering particles in degree of polarization and diffuse intensity in agreement with Monte Carlo simulation results. Finally, we demonstrated a similar diffused imaging signal contrast between burned and healthy regions of ex vivo porcine skin. Conclusion: Polarimetric terahertz imaging has the potential to detect structural changes due to biological disease processes.
主题: 医学物理 (physics.med-ph) ; 生物物理 (physics.bio-ph); 光学 (physics.optics)
引用方式: arXiv:2501.00630 [physics.med-ph]
  (或者 arXiv:2501.00630v1 [physics.med-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.00630
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: M. Hassan Arbab [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2024 年 12 月 31 日 20:07:38 UTC (19,321 KB)
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