Quantitative mapping of collagen fiber alignment in thick tissue samples using transmission polarized-light microscopy

Abstract

Immersion optical clearing makes it possible to use transmission polarized-light microscopy for characterization of thick (200 to 2000 μm) layers of biological tissues. We discuss polarization properties of thick samples in the context of the problem of characterization of collagen fiber alignment in connective tissues such as sclera and dermis. Optical chirality caused by azimuthal variations of the macroscopic (effective) optic axis of the medium across the sample thickness should be considered in polarization mapping of thick samples of these tissues. We experimentally evaluate to what extent the optical chirality affects the measurement results in typical situations and show under what conditions it can be easily taken into account and does not hinder, but rather helps, in characterization of collagen fiber alignment.

Measurement of tissue optical properties in the context of tissue optical clearing

“…Similar approaches are used in Refs. 236-240. For the past five years, efforts have been focused on developing effective techniques for characterization of the architecture of collagen-rich tissues, such as dermis, sclera, tendon, and cartilage, at the macroscale 241 and on the assessment of the feasibility of the polarimetric monitoring of glucose content in such tissues. 242 Knowledge of the collagen fiber orientation and ordering is required in studying biomechanics of connective tissues and diseases associated with the abnormalities of such tissues.…”

“…The measurements were performed using a microscopic polarization mapping system described in Ref. 241. This figure shows the maps of three characteristic angles: the phase retardation angle Δ r , the angle of optical chirality ϕ, and the polarization mid-axis orientation angle υ.…”

“…This figure shows the maps of three characteristic angles: the phase retardation angle Δ r , the angle of optical chirality ϕ, and the polarization mid-axis orientation angle υ. 241 These angles are defined by the relations E Q -T A R G E T ; t e m p : i n t r a l i n k -; s e c 8 ; 6 3 ; 2 2 3 m ij being the elements of the Mueller matrix of local transmission of the sample. In this example, the angle υ bears information on the average preferred direction of orientation of collagen fibers.…”

Картины Рассеяния Ортогонально Поляризованных Компонент Света Для Статистически Вращательно-Инвариантных Мозаичных Двулучепреломляющих Слоев

“…Сравнение (19) и (16) показывает, что статистическая вращательная инвариантность слоя предполагает следу-ющую форму этих функций: ны с помощью микроскопического поляризационного картографирования. Использованные нами метод и аппаратура микроскопического поляризационного картографирования описаны в [27]. Картографирование показало, что распределение локальной оптической оси (ЖК-директора) в ЖК-слое хорошо соответствует (1): подавляющую часть объема слоя занимают области, локальная оптическая ось в пределах которых лежит почти параллельно границам слоя, а угол закрученности структуры (угол азимутального поворота локальной оптической оси при движении в направлении z от фронтальной границы к задней) в среднем по площади слоя с большой точностью равен 0 • , среднеквадратичное значение составляет около 9 • .…”

Мониторинг Процесса Иммерсионного Оптического Просветления Коллагеновых Волокон С Помощью Оптической Когерентной Томографии

“…Возможность увеличивать оптическую прозрачность биологических тканей с помощью иммерсионного просветления широко используется при исследовании структуры биотканей in vitro [1][2][3][4][5][6]. В настоящее время предпринимаются многочисленные попытки найти безопасные варианты использования иммерсионного просветления in vivo [1,[5][6][7][8][9] для увеличения глубины проникновения излучения в оптической диагностике и фототерапии.…”