宮頸癌石蠟切片在太赫茲時域光譜下的成像及分析

楊曉月，李平

江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科，江蘇鎮(zhèn)江 212002

目前對腫瘤的確診依賴組織病理學(xué),主要是在顯微鏡 下觀察腫瘤細(xì)胞及其排列方式，進(jìn)而確定病變的種類和程度,一直以來是疾病診斷尤其是腫瘤診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”。但病理診斷需借助經(jīng)驗判斷及主觀認(rèn)識,有一定的偏差。2011年相關(guān)學(xué)者[1]等利用頻率范圍為1～6 THz的太赫茲波對石蠟病理切片進(jìn)行掃描成像，在3.6 THz頻率附近實現(xiàn)了腫瘤和非腫瘤病變精確組織識別。2011年亦有相關(guān)學(xué)者[2]對宮頸癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移進(jìn)行了太赫茲成像研究。實驗表明，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的宮頸癌組織反射的時域信號峰值要低于從正常淋巴結(jié)組織反射的峰值，兩者峰值相差約5%，提示太赫茲波有望應(yīng)用于宮頸癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的早期診斷。

近年來越來越多研究表明利用太赫茲波普分析技術(shù)對臨床惡性腫瘤診斷的可行性[3-6],對宮頸癌的石蠟切片研究,為日后太赫茲最終用于臨床宮頸癌的確診提供理論依據(jù),從而實現(xiàn)對惡性腫瘤患者的無創(chuàng)確診。

1 對象與方法

1.1 組織樣本來源

兩樣本分別于2017年12月28日和2018年3月8日，經(jīng)江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院婦科醫(yī)生手術(shù)切除子宮、病理明確為宮頸腺癌（下文稱樣本1）和宮頸鱗癌（下文稱樣本2）（圖 1）。

圖1 宮頸癌石蠟病理

1.2 檢測樣本制備

該實驗樣品制備過程為[7]：①固定，使用10%的甲醛溶液固定，目的是保持細(xì)胞、組織的固有形態(tài)，避免組織自溶、腐爛等；②水洗，用流水沖洗已經(jīng)固定的組織塊30 min；③脫水處理，使用梯度乙醇溶液逐級脫水處理；④透明，將樣品置于二甲苯溶液中進(jìn)行透明；⑤浸蠟，將樣品置于45～50℃的熔蠟中1 h以上；⑥包埋并用刀片切除組織周圍過多的石蠟，得到厚度為3.6 mm左右的初始樣本；⑦使用1200目的細(xì)砂紙對樣本表面進(jìn)行打磨，去除表面起伏和缺陷，使檢測樣本上下表面水平和光滑。厚度為3.5 mm。

1.3 檢測設(shè)備及方法

實驗使用ADVANTEST公司生產(chǎn)的TS7400TS太赫茲時域光譜儀對樣本進(jìn)行檢測，檢測模式為透射連續(xù)波成像模式。該系統(tǒng)由探測單元、分析單元、控制系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、XY測量平臺控制器和XY測量平臺組成。

將打磨處理好的樣本放置于XY測量平臺上，設(shè)置X、Y方向掃描步長為0.4 mm，掃描步數(shù)30步，分辨頻率3.8 GHz， 64 次頻譜平均，頻率范圍 0.1～5 THz，以空白聚乙烯窗片為參比信號。

1.4 統(tǒng)計方法

所得數(shù)據(jù)采用ORIGIN 9.1統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行分析。采取Savitzky-Golay卷積平滑法進(jìn)行濾波處理。z-score數(shù)據(jù)歸一化處理，消除屬性之間的量綱誤差。采取主成分分析法對組織譜圖進(jìn)行特征提取。

2 結(jié)果

2.1 太赫茲時域光譜技術(shù)下石蠟病理成像

將分次掃描得到的太赫茲時域光譜圖像進(jìn)行拼接，得到圖2所示宮頸癌組織石蠟切片太赫茲圖像 （分析頻率0.1～3 THz）。從圖2可以看出：石蠟包埋的宮頸組織與石蠟自身的太赫茲吸收系數(shù)譜圖有著明顯的差異；宮頸癌組織與正常組織的太赫茲吸收系數(shù)譜圖存在區(qū)別，癌組織的太赫茲吸收系數(shù)較大；石蠟吸收信號與聚乙烯窗片的吸收信號較為接近。

圖4 SG光滑濾波處理后石蠟和組織吸收系數(shù)對比

圖5 Z-SCORE歸一化+濾波處理后的譜線

圖2 太赫茲時域光譜成像圖

圖3樣本1為右上角癌組織附近石蠟、正常組織合癌組織三者的吸收系數(shù)，樣本2為左上角部分石蠟、正常組織、癌組織三者的吸收系數(shù)。

2.2 太赫茲光譜信息處理

2.2.1 SG平滑化濾波 如圖3、圖4所示，實驗獲得的信號除了來自宮頸組織自身對太赫茲的吸收，還包含了石蠟對太赫茲的吸收，以及儀器和測量噪聲。

對圖4所示信號進(jìn)行SG光滑濾波處理，得到如圖5所示吸收系數(shù)譜線。經(jīng)過濾波處理，過濾掉了大部分的干擾噪聲，信噪比得到了提高，石蠟、正常組織和癌組織的吸收系數(shù)區(qū)別更加顯著，有效頻率在0.2～3 THz范圍內(nèi)。樣本1癌組織在1.5、2、2.5 THz和2.8 THz處存在明顯的吸收峰，樣本2在1.5、2、2.4 THz和2.5 Thz處存在明顯的吸收峰。吸收峰之間存在波谷，這表明組織中的生物大分子在這些頻率處有特征吸收峰，且含量較高。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是宮頸癌組織與正常組織的構(gòu)成成分、含量存在差異。兩個樣本癌組織的吸收峰頻率和吸收譜線形狀接近，這表明不同來源的宮頸癌構(gòu)成和含量較為接近，實驗得到的特征指紋信息可以用于宮頸癌組織診斷。

2.2.2 歸一化處理 數(shù)據(jù)歸一化處理主要是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)同趨勢化和無量綱化。通過將屬性值按比例縮放，使之落入一個小的特定區(qū)間，如0.0～1.0，對屬性規(guī)范化。

圖5中清楚地顯示了Z-SCORE歸一化對于突出譜圖形狀的作用，歸一化的宮頸癌組織太赫茲吸收系數(shù)譜圖消除了1.7 THz和2.3 THz附近頻率點奇異的吸收系數(shù)值對于譜圖形態(tài)辨識權(quán)重過大的影響，且加強了吸收峰的局部特征，有利于譜圖的分類和辨識。

3 討論

目前臨床上惡性腫瘤的有效確診一直依靠病理學(xué)診斷,但這種確診對病人來說是有創(chuàng)的,且受限于取材醫(yī)生和病理醫(yī)生的水平。是否存在一種有效確診并評估癌癥患者病情的有效手段，成為提高臨床治療的一大研究及探索方向。宮頸癌嚴(yán)重威脅女性的健康，近年來宮頸癌的發(fā)病率一直居高不下,且呈現(xiàn)年輕化趨勢。宮頸癌的早期診斷與早期治療是提高宮頸癌患者生存率和改善預(yù)后的關(guān)鍵[8-9]。

太赫茲波具有極強的親水特性[9]，新鮮人體組織由于含水量過高，難以直接用于太赫茲時域光譜檢測成像。采取石蠟包埋技術(shù)去除組織中的水，減少水分子對太赫茲波的干擾。脫水后，組織自身組成成分特點，如核酸、蛋白質(zhì)的含量差異，成為太赫茲檢測的關(guān)鍵因素。

該研究利用太赫茲時域光譜技術(shù)對宮頸癌組織石蠟病理進(jìn)行檢測，研究結(jié)果顯示：宮頸癌組織和癌旁組織對太赫茲波的吸收系數(shù)存在明顯區(qū)別。兩份來源不同的樣本都表明，宮頸癌組織在1.5、2 THz、存在相同的明顯吸收峰，但是檢測信號中存在大量干擾，采取SG光滑濾波處理和Z-SCORE歸一化處理可降低干擾信號的影響，提高信噪比。經(jīng)過濾波和歸一化處理后，得到宮頸癌石蠟病理在太赫茲時域光譜技術(shù)下有效檢測頻率范圍0.1～3 THz。因此，將分析頻率設(shè)置為0.1～3 THz可以得到清晰的宮頸癌石蠟病理太赫茲成像，成像中石蠟、癌組織和癌旁組織可以清晰區(qū)別出來。

該研究結(jié)果顯示，太赫茲時域光譜技術(shù)有可能成為宮頸癌診斷的有效技術(shù)。利用該方法進(jìn)行宮頸癌檢測，減少了常規(guī)病理檢測需要切片、染色和人工觀察等環(huán)節(jié)，簡化了檢測流程，檢測結(jié)果通過譜圖的形式直觀顯示，不依賴于操作人經(jīng)驗判斷，降低誤診概率，提高宮頸癌組織的檢出率和效率。