偏振光学成像方法可以获取组织丰富的微观结构信息,已经在癌症等疾病检测和诊断中显示出潜在的应用前景。由于生物组织结构的复杂性,认识偏振成像机理、研究偏振定量表征参数与组织微观结构变化的关系,对发展偏振成像方法在临床中的应用具有重要的指导意义。针对复杂的各向异性生物组织,本论文基于球-柱散射模型建立了球柱-双折射旋光偏振散射模型,并发展了相应的Monte Carlo模拟程序来模拟偏振光在该模型中的散射传播过程。我们可以通过设定散射体和周边介质的参数来模拟不同结构的生物组织。散射体参数包括大小、散射系数、折射率以及柱状散射体的空间角度分布。散射体周围介质参数包括折射率、吸收系数、双折射以及旋光度。在球柱-双折射旋光模型中,球散射体模拟组织中细胞核、线粒体、核糖体等,柱散射体模拟胶原纤维、弹性纤维、肌动蛋白纤维等,周围介质的双折射和旋光则分别模拟肌腱、牙齿、骨等组织产生的双折射效应以及葡萄糖、蛋白质、脂类等手性分子产生的旋光效应。论文用仿体实验验证了Monte Carlo模拟程序中双折射和旋光模块的可靠性。通过对比骨骼肌组织、球-柱散射体系和球柱-双折射体系的背向Mueller矩阵,论文指出了球散射、柱散射以及介质双折射是各向异性生物组织光学模型的必要组成部分。论文利用仿体实验和模拟方法研究了球柱-双折射旋光体系的参数变化对点光源照明Mueller矩阵、面光源照明Mueller矩阵、偏振度、Mueller矩阵分解参数以及Mueller矩阵变换参数的影响。论文指出可以从不同偏振表征量获得介质的光学特性与结构信息。论文基于模型和模拟方法对生物组织病变的偏振测量结果进行了解释和分析。文中对皮肤基底细胞癌、乳头状甲状腺癌以及宫颈鳞状上皮癌的组织样品进行了偏振成像,针对组织中不同的微观结构建立了相应的偏振散射模型,并利用模拟方法分析了偏振度、Mueller矩阵分解参数以及Mueller矩阵变换参数对癌变组织特异性微观结构变化的不同反映。实验和模拟结果揭示了偏振表征量对病变组织成像的机理,表明了选择合适的偏振表征量可以定量检测和诊断组织病变。