Experimental validation of an extended Jones matrix calculus model to study the 3D structural orientation of the collagen fibers in articular cartilage using polarization-sensitive optical coherence tomography

Abstract

We report results to verify a theoretical framework to analyze the 3D depth-wise structural organization of collagen fibers in articular cartilage using polarization-sensitive optical coherence tomography. Apparent birefringence data obtained from multi-angle measurements using a time domain polarization-sensitive optical coherence tomography system has been compared with simulated data based on the extended Jones matrix calculus. Experimental data has been shown to agree with the lamellar model previously proposed for the cartilage microstructure based on scanning electron microscopy data. This tool could have potential application in mapping the collagen structural orientation information of cartilage non-invasively during arthroscopy.

Slope-based segmentation of articular cartilage using polarization-sensitive optical coherence tomography phase retardation image

“…Similar observations have also been reported by others that the phase retardation in the deep area may accumulate relatively fast in some locations of cartilage samples. 15,26 However, in some other reported literature, 14,16,20 low birefringence has been found in deep zone at normal incidence. The difference in the results shows that the quantification of birefringence in the deep zone is quite sensitive, and it may depend on the types of samples, topographical locations, illumination angles, etc.…”

“…They built an ideal three-layer model for articular cartilage, where the collagen fibers were modeled as exactly parallel to the tissue surface in the superficial zone, in an arched shape in the transitional zone, and exactly perpendicular to the surface in the deep zone. Kasaragod et al 20 adopted this model and compared experimental data with simulation. By fitting the experimental data with the simulation model, they obtained tissue parameters such as the thickness of the zones, birefringence, and the quadratic function representing the fiber orientation in the transitional zone.…”

Polarization Sensitive Optical Coherence Tomography: A Review of Technology and Applications

“…PS-OCT images of one proximal joint surface of bovine tibia are shown in Figure 9d [188]. PS-OCT using variable incidence angles was further used to investigate the 3D architecture of the collagen fiber network in cartilage [197,198]. Due to its high sensitivity to cartilage disorder, PS-OCT proved a promising tool for imaging cartilage in osteoarthritis in both humans and animal models [199,200].…”

Polarization-interference mapping of networks in diffusal polycristaline biological tissues

“…Тому актуальним є розробка нових технік комплексної поляриметричної 3D діагностики полікристалічних мереж біологічних тканин. Таку можливість може забезпечити поєднання традиційних методів Мюллерматричного та голографічного картографування фазово-неоднорідних шарів [29,30]. Проте, у випадку сильно розсіюючих дифузних шарів далеко не всі елементи матриці Мюллера є зручними для характеристики зразку біологічної тканини.…”

“…Визначення серії «фазових» пошарових розподілів ( ) Таким чином, нами вперше реалізовано нове поліпшення широко відомих методів поляриметрії 2D Мюллер-матричних зображень біологічних тканин, які узагальнені в авторитетних оглядах[1][2][3][4][5][6][10][11][12], на випадок 3D матричного картографування[29] реальних дифузних біологічних шарів шляхом визначення пошарових мап деполяризації. На цій основі, вперше у світовій практиці поляриметрії біологічних тканин [14-16, 23-28] реалізовано диференціацію деполяризуючих зразків гістологічних зрізів біопсії доброякісних і злоякісних пухлин простати.ВИСНОВКИЗапропоновано та обґрунтовано нові поліпшення методу Мюллер-матричного картографування шляхом відтворення 3D мап деполяризації деполяризуючих дифузних шарів доброякісних і злоякісних пухлин простати.Завдяки вперше застосованому статистичному аналізу пошарових мап деполяризації виявлено найбільш чутливі до патологічних змін полікристалічної структури простати параметри (…”