| Date: |
2025 |
| Abstract: |
Aquesta tesi se centra en l'anàlisi de tècniques polarimètriques com a eines per a la inspecció de mostres biològiques. Aquests mètodes es beneficien de l'aprofitament de la resposta polarimètrica de les mostres, que es pot englobar en tres característiques físiques principals: dicroisme, birrefringència i despolarització. És important destacar que aquestes propietats polarimètriques poden estar vinculades a característiques físiques (com ara la composició, densitat, orientació, etc. ) de les mostres, que són responsables d'aquest comportament polarimètric. Aquestes propietats es poden extreure directament a partir de la mesura experimental de les seves matrius de Mueller, on la informació polarimètrica està codificada. Cal assenyalar que la mesura de la matriu de Mueller de les mostres és no invasiva i no destructiva, fet que converteix les tècniques polarimètriques presentades en aquesta tesi en excel·lents candidates per a l'obtenció d'imatges de teixits biològics. La bibliografia demostra que, entre aquestes propietats, l'estudi del comportament despolaritzant dels teixits biològics és especialment adequat per a la seva caracterització. En aquest context, els Índexs de Puresa Polarimètrica han mostrat un molt bon resultat amb finalitats d'imatge. En aquesta tesi es presenten avenços tant en la comprensió fonamental de la informació proporcionada pels Índexs de Puresa Polarimètrica com en la seva connexió amb les estructures inherents de les mostres. Aquest coneixement fonamental s'utilitza per implementar eines basades en polarimetria que ajuden a la identificació i millora del contrast d'estructures biològiques. A més, també s'investiguen altres paràmetres rellevants de despolarització en el marc d'aplicacions en biofotònica, com és el cas d'alguns observables derivats de la descomposició de Arrow. En particular, descrivim per primera vegada diferents orígens de la despolarització en les mostres. Per a aquest objectiu, es duen a terme una sèrie de simulacions que imiten despolaritzadors basats en diferents característiques polarimètriques. Això condueix a la identificació de dues fonts de despolarització, anomenades despolarització anisotròpica i isotròpica. Mentre que la primera està relacionada amb processos estadístics que impliquen els elements polarimètrics que componen les mostres, la segona està associada a processos de dispersió aleatòria produïts en les interaccions llum-matèria, que condueixen a una pèrdua completa de la informació polarimètrica de la mostra. La comprensió detallada d'aquests mecanismes despolaritzants ens porta a la implementació d'un filtre digital de despolarització que elimina el contingut isotròpic de les mostres, ressaltant el component anisotròpic. L'aplicació d'aquest filtre en mostres biològiques resulta en una millora significativa de les imatges d'estructures rellevants. Aprofitant el potencial del filtre per a aplicacions d'imatge, l'apliquem a l'estudi de mostres de cervell humà i animal. L'anàlisi dels canals polarimètrics filtrats produeix resultats excel·lents pel que fa a la identificació d'estructures, en comparació tant amb mètodes polarimètrics convencionals com amb tècniques mèdiques habituals. Com a resultat, el filtre de despolarització presentat en aquest treball es presenta com una eina excel·lent amb un gran potencial per a cirurgies in vivo en l'àmbit mèdic, així com per a la recerca neurològica fonamental i la detecció de patologies. |
| Abstract: |
Esta tesis se centra en el análisis de técnicas polarimétricas como herramientas valiosas para la inspección de muestras biológicas. Estos métodos se benefician de la respuesta polarimétrica de las muestras, la cual puede englobarse en tres características físicas principales: dicroísmo, birrefringencia y despolarización. Es importante destacar que estas propiedades polarimétricas pueden vincularse a características físicas (como la composición, densidad, orientación, etc. ) de las muestras, que, a su vez, son responsables de dicho comportamiento polarimétrico. De forma ventajosa, estas propiedades pueden extraerse directamente a partir de la medición experimental de sus matrices de Mueller, donde se codifica la información polarimétrica. Cabe señalar que la medición de la matriz de Mueller de las muestras es no invasiva y no destructiva, lo que convierte a las técnicas polarimétricas presentadas en esta tesis en excelentes candidatas para ser aplicadas en la obtención de imágenes de tejidos biológicos. La literatura demuestra que, entre estas propiedades, el estudio del comportamiento despolarizante de los tejidos biológicos resulta especialmente adecuado para su caracterización. En este contexto, los Índices de Pureza Polarimétrica han mostrado un muy buen rendimiento en el anàlisis de imagen polarimétrica. En esta tesis, se presentan avances tanto en la comprensión fundamental de la información proporcionada por los Índices de Pureza Polarimétrica, como en su conexión con las estructuras inherentes de las muestras. Este conocimiento fundamental se utiliza para implementar herramientas basadas en polarimetría que ayudan a la identificación y mejora del contraste de estructuras biológicas. Además, también se investigan otros parámetros relevantes de despolarización en el marco de aplicaciones en biofotónica, como es el caso de ciertos observables derivados de la descomposición de Arrow. En particular, describimos por primera vez diferentes orígenes de la despolarización en las muestras. Para ello, se realizan una serie de simulaciones que imitan despolarizadores basados en distintas características polarimétricas. Esto conduce a la identificación de dos fuentes de despolarización, denominadas despolarización anisotrópica e isotrópica. Mientras que la primera está relacionada con procesos estadísticos que involucran los elementos polarimétricos que componen las muestras, la segunda está asociada a procesos de dispersión aleatoria producidos en las interacciones luz-materia, que conducen a una pérdida completa de la información polarimétrica de la muestra. La comprensión detallada de estos mecanismos despolarizantes nos lleva a la implementación de un filtro digital de despolarización que elimina el contenido isotrópico de las muestras, resaltando el contenido anisotrópico. La aplicación de este filtro en muestras biológicas resulta en una mejora significativa en las imágenes de estructuras relevantes. Aprovechando el potencial del filtro para aplicaciones en imagen médica, lo aplicamos en el estudio de muestras de cerebro humano y animal. El análisis de los canales polarimétricos filtrados produce resultados excelentes en cuanto a la identificación de estructuras, en comparación tanto con métodos polarimétricos convencionales como con técnicas médicas comúnmente utilizadas. Como resultado, el filtro de despolarización presentado en este trabajo se perfila como una herramienta excelente con gran potencial para cirugías in vivo en el ámbito médico, así como para la investigación neurológica fundamental y la detección de patologías. |
| Abstract: |
This thesis focuses on the analysis of polarimetric techniques as valuable tools for the inspection of biological samples. These methods benefit from taking advantage of polarimetric response of samples, which can be englobed in three main physical features: dichroism, birefringence and depolarization. Importantly, these polarimetric properties can be linked to physical characteristics (such as composition, density, orientation. . . ) of samples, that in turn, are responsible for such polarimetric behavior. Advantageously, the experimental obtaining of these features can be readily extracted from the experimental measurement of their Mueller matrices, where the polarimetric information is encoded. Note that the Mueller matrix measurement of samples is non-invasive and non-destructive, making the polarimetric techniques we present in this thesis excellent candidates to be applied for biological tissues imaging. In literature, it is demonstrated that among these properties, the study of the depolarizing behavior of biological tissues is especially suitable to characterize such samples. In this context, the Indices of Polarimetric Purity show very good performance for imaging purposes. In thesis, we make advances in the fundamental comprehension of the information provided by the Indices of Polarimetric Purity as well as, their connection with inherent structures within samples. Such fundamental knowledge is used to implement polarimetric based tools helping for the identification and contrast enhancement of biological structures. Additionally, other relevant depolarization parameters are also investigated in this thesis in the framework of biophotonics applications, as it is the case of some observables derived from the Arrow decomposition. In particular we describe for the first time different origins of depolarization in samples. To this aim, we conduct a series of simulations mimicking depolarizers based on different polarimetric characteristics. This leads to the identification of two depolarization sources, named anisotropic and isotropic depolarization. Whereas the first one is related to statistical processes involving the polarimetric elements from which samples are composed of, the second one is related to random scattering processes produced in light-matter interactions, which led to a complete loss of sample polarimetric information. The thorough understanding of such depolarizing mechanisms lead us to the implementation of a digital depolarization filter that eliminates the isotropic depolarization content of samples, highlighting the anisotropic one. The application of this filter on biological samples yields to a significant image enhancement of relevant structures. Taking profit of the filter potential for imaging applications, we apply it in the study of animal and human brain samples. The analysis of filtered polarimetric channels lead to excellent results in terms of structure identification when comparing with both conventional polarimetric methods and commonly used medical techniques. As a result, the depolarization filter presented in this work arises as an excellent tool with great potential for in-vivo surgeries in the medical field and fundamental neurological research and pathology detection. |
| Note: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física |
| Rights: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre que no sigui amb finalitats comercials, i sempre que es reconegui l'autoria de l'obra original.  |
| Language: |
Anglès |
| Series: |
Programa de Doctorat en Física |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Subject: |
Polarització ;
Polatization ;
Polarización ;
Ciències Experimentals |
guest ::
dir.
