偏振成像方法在生物医学领域,尤其是组织背向成像诊断,特别是在早期癌症检测等重大应用领域显示出良好的应用前景。由于生物组织微观结构和偏振光散射传播过程的复杂性,偏振光学成像的机理和表征规律是这一研究领域的核心问题。本论文围绕应用背向穆勒矩阵获取生物组织微观结构和光学性质信息这一主题展开,结合组织模型理论仿真和真实组织实验应用开展系统的研究,一方面通过模拟仿真研究不同体系背向偏振参数与其微观结构之间的变化关系和规律,增进对偏振成像物理机制和规律的理解,另一方面通过应用偏振表征参数评估组织特定生理过程,拓展背向偏振成像方法在生物医学领域的应用。论文中首先基于球-柱-双折射这一针对真实复杂体系组织的复合光学模型,利用蒙特卡洛模拟仿真和穆勒矩阵极化分解方法系统地研究了背向探测下不同类生物组织模型体系的偏振特征(二向色性、退偏大小和相位延迟)同其微观结构(散射系数、散射体大小、形状,以及介质双折射等)之间的变化关系,深入地阐述了组织背向偏振成像的物理机制和组织微观结构的表征规律,尤其是指出组织光学偏振过程中散射和双折射效应的共同作用和相互影响,为论文后续开展利用背向偏振成像获取生物组织和生理过程信息打下基础。随后论文重点关注上述研究中发现的双折射退偏这一特殊光学行为,主要考察了圆偏振光入射时各种模型体系下的双折射退偏规律。主要研究进展包括在球-双折射体系满足扩散近似条件下,提取了背向双折射退偏的统一表征参量,通过与散射退偏对比,解释了双折射退偏的物理机制并获得其定量拟合公式等,这些研究工作对强散射各向异性组织中退偏机制的分析进行了重要的补充。论文最后应用背向穆勒矩阵成像研究光学通透过程中组织偏振特征的动态变化,并据此分析通透对组织微观结构和光学属性的可能影响。论文先以巩膜模型体系为例,利用蒙特卡洛方法和穆勒矩阵极化分解方法给出了通透过程中关键效应——折射率匹配的偏振表征,显示了偏振方法应用于组织通透监测的潜力。然后应用背向穆勒矩阵成像实验研究了通透过程皮肤样品偏振特征的动态变化,并将其与针对不同通透机制的蒙特卡洛模拟相对照,解释通透引起的皮肤偏振散射特征变化并获取其微观结构变化信息,进一步印证了借助背向穆勒矩阵获取组织微观结构信息并进行应用表征的可行性。