基于自體熒光診斷技術的早期腫瘤檢測系統(tǒng)的研究

歐輝彬，傅昇

1.?？谑腥嗣襻t(yī)院 醫(yī)學工程處，海南?？?570208；2.海南醫(yī)學院 海南 ?？?71199

基于自體熒光診斷技術的早期腫瘤檢測系統(tǒng)的研究

歐輝彬1，傅昇2

1.?？谑腥嗣襻t(yī)院 醫(yī)學工程處，海南?？?570208；2.海南醫(yī)學院 海南 海口571199

癌癥防治的關鍵在于早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷與早期治療，最關鍵在于早期發(fā)現(xiàn)[1]。腫瘤早期往往沒有明顯癥狀和體征，容易被忽略，而臨床上常用的檢測手段也還不夠理想。因正常組織與癌變組織自體熒光光譜存在明顯差異，近年來，激光誘導自體熒光（Laser Induced Auto-Fluorescence，LIAF）光譜技術在診斷惡性腫瘤方面的應用價值已日漸引起國內外腫瘤專家的關注[2-3]。作為一種無創(chuàng)傷內鏡下篩選惡性病變的分析方法，該技術具有快速、客觀、靈敏度高、無痛無損且簡單實用等特點，可檢測出常規(guī)方法難以發(fā)現(xiàn)的早期腫瘤的微弱熒光。本文主要介紹以自體熒光診斷技術為基礎的早期腫瘤檢測系統(tǒng)的設計過程。

1 設計思路

生物分子在吸收了光能后，從基能態(tài)躍遷到高能態(tài)；當其再從高能態(tài)返回基能態(tài)時，就會以光能形式向外釋放之前所吸收的外來能量。當采用低功率的激光照射人體組織表面時，組織中的原子或分子吸收光后會被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子或分子通過能量馳豫過程，返回基能態(tài)時會發(fā)出光，此光即為自體熒光。

自體熒光的光譜特征與生物組織的光學特性有關。由于人體不同組織的生化組成和形態(tài)結構不同，因而不同組織具有獨特的光學特性和光譜特征。人體組織有許多能發(fā)光的生物分子，如膠原蛋白（熒光峰400 nm）、黃素腺嘌呤二核苷酸（熒光峰520 nm）、彈性蛋白（熒光峰400 nm）、血卟淋衍生物（熒光峰630 nm和680 nm）等[4-6]。正常組織和腫瘤組織由于分化不同，其生化成分也不同；或生化成分相似，但各成分比例不同。因此，正常組織和腫瘤組織在受到同樣條件下的激光照射時，所產生的自體光譜形狀和強度即波長曲線不同，因而可根椐熒光光譜形狀的差異性來區(qū)分。

激光誘導熒光內鏡就是將激光誘導熒光技術與內鏡（胃鏡、腸鏡）相結合，在內鏡檢査過程中從內鏡活檢通道插入光導纖維，利用一定的波長低功率激光照射正常組織與腫瘤組織，誘導產生自體熒光，并由光導纖維收集傳輸?shù)焦庾V儀檢測，得到熒光光譜，再運用計算機技術對熒光譜進行分析處理，得到可靠的診斷信息。

自體熒光診斷技術與內鏡的有機結合為腫瘤的早期診斷提供了一種全新的思路和方法，該方法是一種無侵襲性診斷技術，不損傷正常細胞的生理功能。

早期腫瘤檢測系統(tǒng)就是利用激光誘導熒光的方法和激光學原理，對結腸、胃等消化道器官早癌自體熒光檢測診斷部分進行設計，為實現(xiàn)腫瘤組織的早期檢測與定位提供一種有效的手段。

2 系統(tǒng)主要部件

系統(tǒng)主要由光源（冷光源、激光源）、激光傳輸及熒光采集光纖、長通濾波器、光譜儀、光電轉換器（CCD）、計算機控制系統(tǒng)、顯示器、電子內鏡（胃鏡、腸鏡）等組成。系統(tǒng)結構連接圖，見圖1。

圖1 基于自體熒光診斷技術的早期腫瘤檢測系統(tǒng)結構連接圖

2.1 電子內鏡

電子內窺鏡的成像原理是利用冷光源所發(fā)出的光，經內鏡內的導光纖維將光導入受檢體腔內；CCD圖像傳感器接受到體腔內粘膜面反射來的光，將此光轉換成電信號，再通過導線將信號輸送到電視信息中心；電視信息中心對這些電信號進行貯存和處理，最后傳輸?shù)诫娨暠O(jiān)視器中，在屏幕上顯示出受檢腔器的彩色粘膜圖像。

其中，電子結腸鏡是目前診斷大腸粘膜病變的最佳選擇，通過安裝于腸鏡前端的電子攝像探頭將結腸粘膜的圖像傳至電子計算機處理中心，后顯示于監(jiān)視器屏幕上，可觀察到大腸粘膜的微小變化。

在該系統(tǒng)中，電子結腸鏡可以通過腸鏡的器械通道送入組合光導纖維完成對腸粘膜的激光誘導以及自體熒光的采集和傳輸，釆集的熒光信號經光譜儀預處理再經計算機進行計算分析得出光譜圖形，如發(fā)現(xiàn)早癌可用活檢鉗取相關組織，進行病理切片化驗或其他特殊染色，對粘膜病變的性質進行組織學定性，如炎癥程度、癌的分化程度等的分級。

2.2 激光源與激光傳輸及熒光采集光纖

主要包括激發(fā)光源和熒光收集部分。激光器所產生的藍激光束經光纖在內鏡的輔助下照射腸粘膜表面，可實現(xiàn)腫瘤組織的實時在體檢測。光纖探測端的釆集光纖收集激發(fā)出的自體熒光。

2.3 長通濾波器

長通濾波器可在熒光通過時將背景光排除，以提高設備的靈敏度和信噪比。

2.4 光譜儀

光譜儀將復色光分離成光譜的光學儀器，主要由棱鏡或衍射光柵等構成，可測量物體表面反射的光線。熒光是可見光，但若通過光譜儀將熒光分解，按波長排列，則可見光只占光譜中很小的范圍，其余都是肉眼無法分辨的光譜，如紅外線、微波、紫外線、X射線等。

通過光譜儀對光信息進行抓取，再通過CCD將其轉換成數(shù)字信號的工作原理為：當一朿復合光線進入光譜儀的入射狹縫時，首先經光學準直鏡準直成平行光，再經衍射光柵色散為分開的波長，使光信號在空間上分散成為多條光束；然后利用不同波長離開光柵的角度不同，因此每一像點對應于某一特定波長的原理，由聚焦反射鏡成像于出射狹縫。

2.5 光電轉換器

CCD主要利用光電效應將光信號轉換成電信號，CCD芯片上有許多單元，可以將不同的光線轉成不同的電荷，從而對應自體熒光的電荷圖像。

3 激光誘導自體熒光的采集處理過程

以診斷大腸粘膜病變?yōu)槔?，該系統(tǒng)激光誘導字體熒光的采集處理過程如下：激光器發(fā)出藍色激光束，通過透鏡經組合光纖探測端照射至腸粘膜面；光纖探頭在垂直方向輕輕觸及粘膜表面進行測定，收集400～700 nm范圍的熒光光譜；熒光經采集光纖進入光譜儀，CCD光電信號轉換為數(shù)字信號傳輸至計算機，經專用分析軟件進分析處理，轉換為與自體熒光相對應的光譜曲線圖，為醫(yī)生臨床診斷提供準確參考依據(jù)。

4 系統(tǒng)試驗及分析

在研究階段，先測量一些正常組織的熒光，比較人體同一組織不同部位和不同人體同部位、同組織的熒光差異，以及激發(fā)波長和功率變化對研究帶來的影響。由收集光纖通過光譜儀將熒光轉化為電信號輸入到計箅機以獲取數(shù)據(jù)，再經wispec軟件進行處理，繪制光譜圖像并保存為*.spe文件（*.spe文件把光譜圖像所有點的橫縱坐標以特硃的文件格式存儲，以便計算機讀取數(shù)椐）。

在系安裝調試后，測量了不同病人大腸組織的自體熒光光譜，所用光譜儀的分辯率為0.3～10.0 nm。試驗中，對大腸組織進行自體熒光測量并結合病理檢査進行驗證，共制作了1100幅自體熒光光譜圖，本文從中篩選出兩幅比較典型的正常組織與癌變組織的對照圖（圖2）。

圖2 正常組織與癌變組織的自體熒光光譜圖 多

圖2中，上圖為正常大腸組織的LIAF光譜圖，圖中3條曲線為同組織中不同部位所測出的自體熒光光譜圖，曲線均為單峰但強度不同；下圖為大腸癌變組織LIAF光譜圖，3條曲線圴顯示雙峰，與正常組織相比，強度明顯減弱。腫瘤組織在500 nm處有一主峰，在630 nm和680 nm有兩處個次峰，而正常組織在490 nm處有一主峰，沒有次峰出現(xiàn)，正常組織的熒光強度要大于癌組織。

以圖2中相關數(shù)據(jù)為基礎經歸一化處理得到的標準化強度與波長之間的關系趨勢圖（波長范圍500～700 nm），見圖3。正常大腸組織光譜圖中，3條曲線均自波長在500 nm（強度1.0）之后熒光強度逐漸降低，700 nm處為最低點，3條曲線分別在500 nm和700 nm處重合。大腸癌變組織光譜圖中，由一曲線從560 nm處開始，強度逐漸增強，在630 nm（強度0.75）處達到最高峰；另一曲線則從660 nm處開始，強度逐漸增強，自680 nm（強度0.45）處后下降；3條曲線在700 nm處重合。

圖3 標準化強度與波長之間的關系趨勢圖

上述分析表明，該系統(tǒng)能夠較好地檢測出正常組織與癌變組織的自體熒光光譜，且二者光譜具有較明顯的差異性，表現(xiàn)在光譜形狀、熒光強度、光譜峰值強度、不同峰值間的比值、峰值變化率等方面，其中主要的改變是熒光強度。但如何有效去除檢測過程中人為或儀器的干擾，尋求既能降低圖像噪聲又能保持圖像清晰度的去噪方法尚需探討。

5 自體熒光診斷技木與其他診斷方法的比較

目前常用的早期腫癌診斷技術有3種：碘染色、美藍染色、電子染色[7-9]。

（1）碘染色：是指使用碘溶液進行內鏡下人體內部部位的染色，正常區(qū)域則涂復方碘，呈深棕色。檢査主要觀察不著色區(qū)域的分布，異常圖像部位或可疑病変部位須取點送病理檢查。

（2）美藍染色：是指在內鏡直視下噴灑美藍染色目標區(qū)域，經病理檢查得出結果。

上述兩種方法雖然有助于病變組織良惡性的判斷，可顯示不易發(fā)現(xiàn)的病灶，但也有其不足之處：① 不能全程噴灑；② 碘有強刺激性作用，可引發(fā)燒心、過敏性哮喘等癥狀；③ 碘染特異性低；④ 靛胭脂可引起血壓升高、心動過速。

（3）電子染色：是指利用窄帶濾光器過濾掉內鏡白光所發(fā)出的紅藍綠光波中的紅光，僅留下中心波長分別為540和415 nm的綠光和藍光。由于窄波光沒有覆蓋所有可見光光譜，到達黏膜的深度不同，通過綠、藍順次成像可得到不同層次的形態(tài)圖像，用于診斷消化道的各種疾病。其優(yōu)點是視角淸晰、操作簡單、高效無痛安全性高、準確率較高；但也有明顯不足之處：① 食管清潔度對診斷結果有影響；② 粘膜表面出血影響觀察效果；③ 早癌診斷的準確率依賴于操作者的經驗[10]。

與上述幾種方法對比，自體熒光技術診斷消化道早癌優(yōu)勢凸顯：① 全程普查，而且對同一部位可進行多次“光活檢”，無染色劑所帶來的副作用及風險；② 可于活體內實時作出快速診斷，靈敏度和準確度高，能發(fā)現(xiàn)在內鏡直視下難以發(fā)現(xiàn)的病灶；③ 活檢時，能指示正確的取材部位；④ 無創(chuàng)傷。

隨著自體熒光診斷技術的發(fā)展和成熟，以自體熒光診斷技術為基礎的早期腫瘤檢測系統(tǒng)會逐步體現(xiàn)其優(yōu)勢，為早癌發(fā)現(xiàn)提供一種新的診斷手段。

[1] 吳君,黃多,賀超,等．結合乳腺影像報告及數(shù)據(jù)系統(tǒng)的超聲乳腺腫瘤輔助診斷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀[J]．中國醫(yī)療設備,2013,28(3):77-79．

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Research on the Laser Induced Auto Fluorescence Based Early-Stage Tumor Diagnosis System

OU Hui-bin1, FU Sheng2
1.Department of Biomedical Engineering, People's Hospital of Haikou, Haikou Hainan 570208, China; 2. Hainan Medical University, Haikou Hainan 571199, China

激光誘導的自體熒光診斷技術具有靈敏度高、無痛無創(chuàng)、能發(fā)現(xiàn)早期腫瘤的微弱熒光并確定腫瘤邊界等優(yōu)點。本文詳細介紹了以自體熒光診斷技術為基礎的早期腫瘤檢測系統(tǒng)的設計思路、結構組成、工作原理及實際試驗內容，并對自體熒光診斷技術與常規(guī)早期腫瘤診斷手段如電子染色、碘染色、美藍染色等進行了比較。

激光誘導；自體熒光診斷技術；早期腫瘤檢測；電子內窺鏡

The LIAF (Laser-Induced Auto-Fluorescence) diagnostic technique was featured with high sensitivity, painlessness, non-invasion and the capability of identifying the slight fluorescence of early tumors and the cancerous boundary. This paper detailed the design, structure, working principle and actual experiment content of the LIAF-based early-stage tumor diagnosis system. Moreover, comparisons were made between the auto-fluorescence diagnostic technique and conventional early-stage tumor diagnostic techniques in the aspects of electron staining, iodine staining and methylene blue staining.

laser induction; auto-fluorescence; early-stage tumor diagnosis; electronic endoscope

R730.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.008

1674-1633(2015)04-0028-04

2014-07-18

作者郵箱：lishuyuanyuan@163．com