RESEARCH ARTICLE

Mueller matrix polarimetry for quantitative evaluation of the Achilles tendon injury recovery

Huibin Yang, Minhui Xu, Honghui He, Nan Zeng, Jiawei Song, Tongyu Huang, Ziyang Liang, Hui Ma

2024, 17(4): 39. https://doi.org/10.1007/s12200-024-00142-2

Abstract：Achilles tendon injuries, as a widely existing disease, have attracted a lot of research interest. Mueller matrix polarimetry, as a novel label-free quantitative imaging method, has been widely used in various applications of lesion identification and pathological diagnosis. However, focusing on the recovery process of Achilles tendon injuries, current optical imaging methods have not yet achieved the label-free precise identification and quantitative evaluation. In this study, using Mueller matrix polarimetry, various Achilles tendon injury samples were characterized specifically, and the efficacy of different recovery schemes was evaluated accordingly. Experiments indicate that injured Achilles tendons show less phase retardance, larger diattenuation, and relatively disordered orientation. The combination of experiments with Monte Carlo simulation results illustrate the microscopic mechanism of the Achilles tendon recovery process from three aspects, that is, the increased fiber diameter, a more consistent fiber orientation, and greater birefringence induced by more collagen protein. Finally, based on the statistical distribution of polarization measurements, a polarization specific characterization parameter was extracted to construct a label-free image, which cannot only intuitively show the injury and recovery of Achilles tendon samples, but also give a quantitative evaluation of the treatment.

研究背景

肌腱损伤是临床常见的运动系统疾病，尤其是跟腱损伤，由于其自然再生能力有限，修复过程复杂且漫长。传统的影像学检查方法如MRI和超声虽能提供一定的诊断支持，但在评估治疗效果时往往只能给出定性结果，缺乏精准的定量分析。近年来，随着光学成像技术的飞速发展，Mueller矩阵偏振成像作为一种新型的无标记定量成像技术，因其在病变识别和病理诊断中的巨大潜力而备受关注。然而，针对跟腱损伤修复过程的定量评估，目前的光学成像方法尚未实现无标记的精准识别和定量评价，这正是本研究亟待突破的关键问题。

主要内容

本研究聚焦于跟腱损伤的修复过程，利用Mueller矩阵偏振成像技术对不同修复阶段的跟腱样本进行了深入的定量分析。通过实验与Monte Carlo模拟相结合的方法，从纤维直径增加、纤维排列更加一致以及由更多胶原蛋白引起的双折射增强这三个微观机制方面，揭示了跟腱修复过程中的偏振特性变化。最终，基于偏振测量的统计分布，提取出一种新的极化特征参数（PFP），构建了无标记的极化图像，不仅能够直观地展示跟腱损伤和修复情况，还能对治疗效果进行定量评估。

创新点

本研究的创新之处在于首次将Mueller矩阵偏振成像技术应用于跟腱损伤修复的定量评估，实现了从传统定性分析到定量评价的跨越。通过引入极化特征参数（PFP），为无标记的极化成像提供了一种新的量化手段，能够更直观地反映跟腱损伤和修复的微观结构变化。此外，结合Monte Carlo模拟，从微观机制层面解释了跟腱修复过程中偏振参数的变化，为深入理解跟腱修复的生物学过程提供了新的视角。

研究方法

研究团队采用SPF级SD雄性大鼠建立了跟腱损伤模型，并将实验分为六组，包括正常组、模型组、浅刺激组、中刺激组、深刺激组和阳性组。通过Mueller矩阵显微镜获取样本的偏振图像，并提取了包括延迟度、二向色性和角度参数在内的多种偏振基本参数（PBPs）。利用Monte Carlo模拟结合球-圆柱双折射组织模型（SCBM），模拟了不同治疗水平下跟腱样本的微观结构变化，并通过线性加权的方法提取了极化特征参数（PFP），以增强不同组别样本之间的对比度。

研究结果

实验结果显示，受损跟腱的Mueller矩阵元素与正常样本存在显著差异，具体表现为受损跟腱的延迟度较低，二向色性较大，且纤维排列相对紊乱。通过PFP参数的分析，发现中刺激组和高刺激组的跟腱修复效果最佳，其PFP分布曲线更接近正常组，而低刺激组和阳性组的修复效果较差。此外，PFP图像作为一种“极化染色”手段，能够直观地显示跟腱损伤和修复的状态分布，其中橙红色区域表示健康的跟腱组织，绿色区域表示受损的跟腱组织，蓝色区域则为空气区域。

总结

本研究通过Mueller矩阵偏振成像技术，为跟腱损伤的定量评估提供了一种全新的无标记解决方案。极化特征参数（PFP）的引入不仅增强了样本之间的对比度，还能直观地反映跟腱损伤和修复的微观结构变化。结合Monte Carlo模拟，从微观机制层面解释了跟腱修复过程中偏振参数的变化，为临床治疗效果的评估提供了有力的工具。未来，随着该技术的进一步发展和优化，有望在更多的临床场景中得到应用，为肌腱损伤的诊断和治疗带来革命性的变革。