人體組織反射光譜的檢測研究

引言

隨著光學(xué)診斷手段的進(jìn)步，利用光與組織相互作用的方法日益?zhèn)涫苌镝t(yī)學(xué)工作者的關(guān)注。人體組織是一種渾濁有機(jī)體。當(dāng)一束寬波長的光透射到生物組織表面上時，由于界面的光學(xué)系數(shù)變化，產(chǎn)生 兩種形式的效應(yīng): 即彈性散射和吸收現(xiàn)象。在這個過程中，一部分的光被組織表面鏡面反射，其余的一部分的光將以一定的角度進(jìn)入生物組織內(nèi)部。由于光與組織相互作用時，光強(qiáng)會隨著光在組織體中傳播距離的增加而衰減，以及不同類型生色團(tuán)的吸收，因此產(chǎn)生吸收現(xiàn)象; 由于組織體內(nèi)部結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜， 細(xì)胞器或細(xì)胞質(zhì)的折射系數(shù)不均勻?qū)е鹿庠趥鞑ミ^程中方向的變化，從而將會使傳播在組織內(nèi)的光發(fā)生反射、折射和散射。

透射光在組織內(nèi)部經(jīng)過多次散射、吸收后，一部分的透射光將重新反射回來形成反射光譜信號。這種重新再現(xiàn)的光不僅包含了由于組織表面的尺度參數(shù)大于激發(fā)波長的原因而在組織體表面產(chǎn)生的反射光，還包含了經(jīng)組織內(nèi)部多次 散射、吸收過程后重新返回組織體表面的回返光。因此，這種從組織內(nèi)部“旅行”回來并再被檢測到的反射光譜攜帶了組織形態(tài)、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部成分等信息，它是由生物組織自身固有的散射和吸收特性所決定的。

在腫瘤基質(zhì)微環(huán)境中，由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生化成分的異變導(dǎo)致了某種定向的腫瘤生長。對于這些各類細(xì)胞，雖然它們并不都是惡性的，但由于生化和物理性質(zhì)已經(jīng)不同于正常的組織。因此，反射光譜在粘膜組織早期病變檢測和診斷方面具有一定的潛力和優(yōu)勢，例如，細(xì)胞新陳代謝，微血管分布和血紅蛋白氧化作用，這對疾病的診斷是具有重要意義。

皮膚組織的反射光譜

皮膚是人體表面最大的組織器官，具有保護(hù)人體健康的重要功能，但由于環(huán)境因素等可能致使一些皮膚病變發(fā)生。開展皮膚組織的反射光譜研究，有助于從生化層面了解病變機(jī)理; 同時，皮膚組織也 是最容易實(shí)現(xiàn)的活體反射光譜檢測。早在1993年就開展了人體皮 膚組織反射光譜的研究工作，并通過搭建的系統(tǒng)成功分析了活體正常和異常皮膚組織的光學(xué)特性。

結(jié)果顯示，在光譜強(qiáng)度在波長為 520nm和600nm之間存在明顯的氧合血紅蛋白吸收。2007 年，研究了具有三色白癜風(fēng)皮膚的反射光譜，指出反射光譜可用于對皮膚表層黑色素的研究，可在皮膚表層黑色素缺失的情況下，探測更深層的黑色素含量與分布。2012 年，對正常皮膚和疙瘩疤痕皮膚組織內(nèi)膠原蛋白的反射光譜開展研究，發(fā)現(xiàn)二者之間的膠原蛋白濃度、血紅蛋白氧飽和度、散射系數(shù)明顯不同，該研究有助于醫(yī)生了解皮膚疙瘩疤痕的功能性和結(jié)構(gòu)性條件。

3、口腔組織的反射光譜

2005 年，通過分析對比口腔粘膜組織良性、異常病變、惡性病變?nèi)N情況的反射光譜，結(jié)果顯示三者的反射光譜存在顯著差異，這可 能與血液吸收和散射效應(yīng)變化有關(guān)。采用一種微型光纖光譜儀對 400-600 nm 范圍內(nèi)的口 腔頰粘膜離體組織和活體組織進(jìn)行反射光譜測量（圖 1) 。

圖 1 口腔頰粘膜離體組織和活體組織反射光譜測量

實(shí)驗(yàn)表明，氧合血紅蛋白的反射光譜強(qiáng)度與不同的病灶類型和不同的組織病理?xiàng)l件密切相關(guān)，并指出病變組織的反射強(qiáng)度比值( Ｒ540 /Ｒ570 ) 總小于正常組織的強(qiáng)度比。Ｒupananda Mallia等提出利用氧合血紅蛋白吸收波段的反射光譜比率對活體口腔粘膜組織開展鑒別診斷，指出使用反射光譜比率的散點(diǎn)圖對癌前病變、畸形增生和正常組織的診斷鑒別能夠?qū)崿F(xiàn)較好的靈敏度和特異性。2014 年，嚴(yán)文娟等指出反射光譜能更好地反映舌體內(nèi)部組織成分、微循環(huán)狀態(tài)等信息。

4、肺癌組織的反射光譜

加拿大研究者構(gòu)建了一套基于內(nèi)窺鏡實(shí)時成像和光譜采集裝置對肺支氣管早期惡性組織同時進(jìn)行反射光譜和自體熒光光譜的測量。這項(xiàng)研究表明，肺癌組織和正常組織的反射光譜在 540 nm 和 580 nm 處均有明顯的血紅蛋白吸收現(xiàn)象，然而，癌組織同正常組織的反射光譜強(qiáng)度的比值在580nm 之前還是相對平穩(wěn)的，在580 nm之后則出現(xiàn)遞增的情 況。2006 年，有研究人士基于先前的工作，報道了基于反射光譜的活體肺癌研究成果，結(jié)果顯示，正常組織、良性病變和惡性病變之間的組織血液體積分?jǐn)?shù)、血氧飽和度、散射體積分?jǐn)?shù)以 及尺寸大小分布方面存在著顯著差異，進(jìn)而分析獲取與癌癥相關(guān)的生理、表面形態(tài)變化等定量信息，這項(xiàng)研究對于提高在體肺癌患者早期檢測的準(zhǔn)確性具有重要臨床意義。

2010 年，Stephen Chad Kanick 等報道了將單光纖反射光譜探針并入超聲內(nèi)鏡引導(dǎo)下細(xì)針穿刺活檢程序中以檢測肺癌分期，并基于一套數(shù)學(xué)模型對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這項(xiàng)研究表明，單光纖反射光譜能夠檢測正常和轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的生理差異，但仍需優(yōu)化取樣策略。

5、鼻咽癌組織的反射光譜

2016 年，有課題組首次報道了離體鼻咽癌組織的反射光譜研究( 圖 2) ，發(fā)現(xiàn)二者的平均反射光譜的血紅蛋白吸收帶存在著顯著性差異，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元統(tǒng)計分析，其診斷靈敏度和特異性分別為73． 7% 和72． 2% ; 此外，通過分析氧合血紅蛋白吸收強(qiáng) 度變化和所對應(yīng)的平均反射強(qiáng)度比值 ( Ｒ540 /Ｒ576) ，發(fā)現(xiàn)一些特別的變化，例如鼻咽癌組織的 Ｒ540 /Ｒ576 比值高于非癌組織的比值，可作為指示癌變的相關(guān)指標(biāo)。這項(xiàng)研究表明反射光譜的無 損、快速檢測潛力，并為下一步的活體鼻咽癌組織的反射光譜研究提供了一定的參考與指導(dǎo)。

圖 2 離體鼻咽癌組織和非癌組織的反射光譜

6、結(jié)束語

反射光譜技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已占據(jù)重要的研究地位，并且基于反射光譜的新技術(shù)、新方法的報道，使它更具研究活力和價值。無損、快速的活體癌癥檢測勢必成為未來研究的方向?？v然如此，反射光譜技術(shù)還尚存一些問題，包括如何對活體組織光譜的準(zhǔn)確篩選和判別，以及如何建立性能良好的活體反射光譜檢測系統(tǒng)，這些都還需進(jìn)一步研究。反射光譜技術(shù)應(yīng)用于臨床疾病的篩查與診斷依然任重而道遠(yuǎn)。

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審核編輯黃宇