专利名称：用于通过拉曼光谱进行的体内组织表征的设备和方法
技术领域：
本发明涉及组织的表征。本发明可以用来例如提供评价皮肤病损的方法和设备。实例实施方式提供设备，其可以由医师用来评价皮肤病损是癌性的可能性并且确定所述损伤的边界。
背景技术：
皮肤癌是北美最常见的癌症。1/5北美人在其寿命期间可能发展恶性皮肤肿瘤。在医师检测到可疑损伤的情况下，进行活组织检查并随后组织病理学检查是确认诊断的最精确的方式。该过程是侵入性，耗时且可以与某些病态有关。实现高诊断敏感性的重要性需要活组织检查的低门槛，其又招致卫生保健系统的更高成本。另外，活组织检查改变正研究的位置并留下永久疤痕。在某些情况下，进行活组织检查的最适当场所会难以确定。用于表征可疑损伤和其它组织的敏感的、特异性的非侵入性工具会提供有价值的替代经提取组织的活体检查和组织病理学检查的使用的手段。拉曼光谱牵涉光照样本，而样本非弹性地分散入射光中的某些。与样本的非弹性相互作用能够导致分散光具有相对入射光波长位移(拉曼位移)的波长。分散光的波长光谱(拉曼光谱)含有关于样本性质的信息。拉曼光谱在组织研究中的用途描述于下述参考文献中a) Caspers PJ,等人Raman spectroscopy in biophysics and medical physics.Biophys J 2003;85:572-580;b)Huang Z,等人 Rapid near-infrared Raman spectroscopy system forreal-time in vivo skin measurements. Opt Lett 2001;26:1782-1784;c) Short MAj 等人 Development and preliminary results of an endoscopicRaman probe for potential in vivo diagnosis of lung cancers. Opt Lettt2008;33(7):711-713;d) Huang Z，等人 Raman spectroscopy of in vivo cutaneous melanin. J ofBiomed Opt 2004;9:1198-1205;e)Huang Z，等人 Raman Spectroscopy in Combination with BackgroundNear-infrared Autofluorescence Enhances the In Vivo Assessment of MalignantTissues. Photochem Photobio12005;81:1219-1226;f)Molckovsky A，等人 Diagnostic potential of near-infrared Ramanspectroscopy in the colon: differentiating adenomatous from hyperplasticpolyps. Gastrointest Endosc 2003;57:396-402;g)Abigail SHj 等人 In vivo Margin Assessment during Partial MastectomyBreast Surgery Using Raman Spectroscopy. Cancer Res2006;66:3317—3322;h)Rajadhyaksha M，等人 In Vivo Confocal Scanning Laser Microscopy ofHuman Skin II:Advances in Instrumentation and Comparison With Histology. JInvest Dermatol 1999; 113:293-303;i) Lieber CA，等人 In vivo nonmelanoma skin cancer diagnosis using Ramanmicrospectroscopy. Laser Surg Med 2008;40 (7):461-467.通过援引将这些参考文献全部并入本文。将拉曼光谱用来分析用共焦技术收集的光的光学设备的使用描述于j) Caspers PJ,等人 Automated 深度-scanning confocal Ramanmicrospectrometer for rapid in vivo determination of water concentrationprofiles in human skin. J Raman Spectrosc2000;31:813—818;k) Caspers PJj 等人 In vivo confocal Raman microspectroscopy of theskin:noninvasive determination of molecular concentration profiles. J InvestDermatol 2001;116:434-442;I)Caspers PJj 等人 Monitoring the penetration enhancer dimethylsulfoxide in human stratum corneum in vivo by confocal Raman spectroscopy. PharmRes 2002;19:1577-1580.通过援引将这些参考文献全部并入本文。需要筛选皮肤癌比如黑素瘤的敏感的且特异性的方法。还需要能够由医师用来精确地检测损伤边缘的工具。
发明概要本发明许多方面。这些方面包括用于评价体内组织(例如皮肤)病理的设备；用于评价体内组织(例如皮肤)病理的方法；用于处理组织拉曼光谱数据并产生谱图对应癌性或前癌性组织的可能性度量的设备；用于处理组织拉曼光谱数据并产生谱图对应癌性或前癌性组织的可能性度量的方法；包括计算机可读指令的非暂态介质，在通过数据处理器执行的情况下导致数据处理器执行用于处理组织拉曼光谱数据并产生谱图对应癌性或前癌性组织的可能性度量的方法。本发明的一方面提供用于组织表征的设备，其包括被配置为产生拉曼光谱的共焦拉曼光谱仪，被配置为测量拉曼光谱的至少一种特征的拉曼光谱分析单元，和响应于所测量的特征而驱动的指示器装置。至少一种特征包括下述中的一种或多种涉及SggiiocnT1波数处的峰的第一特征和涉及1240± IOcnT1至1269± IOcnT1波数带内的第一范围的拉曼光谱强度与1269± IOcnT1至1340± IOcnT1波数带第二范围的强度的对比的第二特征。本发明的又一方面提供用于组织表征的方法，其牵涉接收组织的至少一个拉曼光谱，测量拉曼光谱的至少一种特征，响应于所测量的特征表征组织，并产生组织表征的指示。所述特征包括下述中的至少一种涉及sggiiocnr1波数处的拉曼光谱强度的第一特征，和涉及1240±1001^至1269±1001^波数带内的第一范围的拉曼光谱强度与1269±1001^至1340±1001^波数带内的第二范围的强度的第二特征。本发明的又一方面提供存储由至少一个数据处理器执行的指令的非暂态有形计算机可读介质，在通过数据处理器执行的情况下导致数据处理器执行用于表征组织的方法，所述方法包括下述步骤处理组织的至少一个拉曼光谱，测量拉曼光谱的至少一种特征，响应于所测量的至少一种特征而表征组织，和产生组织表征的指示。至少一种特征包含下述中的一种或多种涉及SggiiOcnr1波数处的拉曼光谱强度大小的第一特征，和涉及U^iiocnT1至UegiiOcnT1波数带内的第一范围的拉曼光谱强度与uegiiocnr1至1340± IOcnT1波数带内的第二范围的强度的对比的第二特征。
本发明的额外方面和本发明的实例实施方式的特征描述于下述说明书中和/或在附图中进行说明。
本发明的非限制性实施方式。图I是根据本发明的实例实施方式的诊断设备的框图。图2是根据本发明的又一实例实施方式的设备的框图。图3A是原始拉曼光谱图。图3B是图3A拉曼光谱的荧光背景进行多项式曲线拟合的图。图3C是图3A拉曼光谱进行荧光背景扣除之后的图。图4是表皮层实例拉曼谱图的图。图4A是图4的扩大视图。图5是皮肤层的实例拉曼谱图的图。图6是根据本发明实例实施方式的方法的框图。图7是皮肤谱图的实例主分量(PC)得分的散点图。图8是皮肤谱图的实例接收者操作特征(ROC)曲线图。发明详述在下述说明书通篇，提供特定细节以便更彻底地理解本发明。然而，本发明可以不用这些特定细节来实施。在其它情况下，并未详细显示或描述熟知要素以避免不必要地使得本发明缺乏要领。相应地，说明书和附图都被认为是示例性的，而不是限制性的。图I是根据本发明实例实施方式的设备20的框图。设备20包括拉曼光谱仪22，其被配置为确定小体积的组织T的拉曼光谱24。组织T可以是例如皮肤。光谱分析组件26接收拉曼光谱24并处理拉曼光谱以获得指示获得拉曼光谱24的组织的病理的度量28。度量28控制反馈装置29。反馈装置29可以，例如，包括灯、图示指示、声音、显示或提供响应于度量28的人类可察觉的信号的其它装置。度量28至少部分基于拉曼光谱24的两种具体特征中的一种或两种。这些特征是899cm 1的拉曼位移的峰以及大约1240cm 1至1269cm 1与1269cm 1至1340cm 1的相对强度。第二特征可以，例如，包括1240CHT1至1269CHT1的积分强度与1269CHT1至1340CHT1的积分强度的比率。这些范围的终点可以变化例如ilOcnT1或iZcnT1，但仍提供具有诊断价值的对比。
在某些实施方式中，光谱仪22是能够加以控制以在不同深度从组织选择性地获得拉曼谱图的类型。在某些实施方式中，拉曼光谱仪22是可控的，其获得(以任意次序)相应于表皮的第一拉曼光谱(例如涉及深度O至约25 μ m的组织的光谱)和涉及真皮的第二拉曼光谱(例如涉及深度大于25 μπι的组织的光谱)。在某些实施方式中，光谱分析组件26对应于表皮的拉曼光谱和对应于真皮的拉曼光谱进行不同的分析。图2是根据本发明又一实例实施方式的设备30的框图。在图2中，显示拉曼光谱仪22包括光源32。光源32是单色光源并且可以例如包括激光。光源32可以例如包括单一模式稳定化的二极管激光，其在785nm的波长工作并且具有IOOmW的功率。在原型实施方式中，光源是 Innovative Photonic Solutions of Monmouth Junction, NJ 的ModelI0785SU0100B-TK 激光。在设备30中，收集来自光源32的光，通过通带滤光器45和分束器34并且经由镜子35引导至光学器件38，其将光聚焦至研究中的组织T中的斑点39。组织T可以包括例如人或动物的皮肤区域。在原型实施方式中，波导管36包括100 μ m核心-直径低-OH单 光纤，其具有高近红外(NIR)传导。在原型实施方式中，光学器件38包括水浸物镜(特别是01ympuSTMMOdelNo. LUMPL40W/IR, N. A. O. 8，WD 3. 3mm物镜)。用双面胶带将磁力接合环(项目#02934,来自Lucid, Inc. Rochester, NY)附缀于有关区域。接合环将光学器件38保持在研究中的组织的相对位置。焦点光斑39的组织分散的光通过光学器件38收集，通过分束器34，长通滤光器43和进入波导管36(比如光学纤维)，传播至分光光度计40。在原型实施方式中，波导管36包括100 μ m核心-直径低-OH单光纤，其具有高近红外(NIR)传导。 在原型实施方式中，光学器件38包括水浸物镜(特别是01ympuSTMMOdelNo. LUMPL40W/IR, N. A. O. 8，WD 3. 3mm物镜)。用双面胶带将磁力接合环(项目#02934,来自Lucid, Inc. Rochester, NY)附缀于有关区域。接合环将光学器件38保持在研究中的组织的相对位置。希望的是避免组织暴露于过度的辐射量。这可以通过适当选择光源、控制光源，和/或在光源下游提供衰减来实现。在原型实施方式中，在光学器件38之后且入射组织表面的光强度是27mW。分光光度计40测量光的光谱。在原型实施方式中，分光光度计40包括NIR-优化的背照式深耗尽层电荷耦合器件(CCD)阵列和传导成像摄谱仪，配有体相技术全息光栅。CXD具有16比特的动态范围并用液氮冷却至-120° C。在原型中，CXD是来自PrincetonInstruments, Trenton, NJ 的 model Spec-10:100BR/LN 并且光谱仪包括来自 KaiserOptical Systems Inc. of Ann Arbor, MI 的 HoloSpec -f/2. 2-NIR 光谱仪,而体相技术全息光栅模型 HSG-785-LF 来自 Kaiser Optical Systems Inc. , Ann Arbor, MI 在优选的实施方式中，拉曼光谱仪22包括共焦光学排列，其中光源包含点光源，并且提供空间针孔或其它空间滤光器41以阻止未聚焦光达到分光光度计40。这允许获得组织T特定深度点的拉曼谱图。在某些实施方式中利用该能力来获得相同位置的表皮和真皮组织的分别的拉曼谱图。原型系统的光谱分辨率是8cm—1。原型系统的纵向(深度)分辨率和横向分辨率经测量分别是8. 6 μ m和2. 2 μ m。分光光度计能够获得800-1800(31^1波数范围的谱图(相当于波长范围838-914nm)。使用皮肤表面27mW的暴露水平，在15秒内获得具有良好信噪比(SNR)的真皮组织拉曼谱图。光谱分析系统42分析分光光度计40的谱图。光谱分析系统42经被配置为鉴定接收自分光光度计40的拉曼谱图的特定光谱特征。光谱分析系统42可以包括编程数据处理器比如个人计算机、嵌入式计算机、微处理器、图像处理器、数字信号处理器等，其执行软件和/或固件指令使得处理器自拉曼谱图提取特定光谱特征。在备择实施方式中，光谱分析系统42包括电子回路、逻辑管线或其它硬件，其经配置提取特定光谱特征，或者编程数据处理器与硬件组合，进行提取特定光谱特征的一个或多个步骤。
方便但不强制的是，实时或近实时地操作光谱分析系统42，从而拉曼光谱分析基本上同时完成或者至少在获得拉曼光谱的数秒内完成。连接光谱分析系统42以根据通过光谱分析单元42提取自拉曼光谱的特定光谱特征衍生的度量控制指示器装置44。测量的拉曼谱图一般与随各测量变化的荧光背景叠加。对于光谱分析系统42方便的是处理接收的谱图，除去荧光背景并且使得谱图归一化。荧光背景的除去可以例如用Vancouver拉曼算法实现，其描述于Zhao J,等人Automated AutofluorescenceBackground Subtraction Algorithm for Biomedical Raman Spectroscopy. AppI.Spectrosc. 2007;61:1225-1232，通过援引将其并入本文。Vancouver拉曼算法是迭代修饰的多项式曲线拟合荧光除去方法，其考虑噪音。图3A、3B和3C分别显示原始拉曼光谱、图3A进行荧光背景多项式曲线拟合的拉曼光谱和图3A多项式曲线建模扣除荧光背景的拉曼光谱。可以例如对各光谱的曲线下积分面积(AUC)进行归一化。例如，各光谱可以乘以所选值，使得AUC等于标准值。为便于显示谱图，归一化强度可以除以各光谱中的数据点数。图4显示正常皮肤的表皮水平的实例拉曼谱图(曲线50A)和肿瘤的表皮水平的实例拉曼谱图(曲线50B)。该图说明可以通过光谱分析单元42提取的第一特定光谱特征。第一光谱特征是波数大约899CHT1的峰51，其存在于肿瘤光谱50B中但不存在于正常光谱50B中。峰51也示于图4A，其是谱图50A和50B波数范围800CHT1至lOOOcnT1的一部分的放大视图。从而，检测表皮组织的899CHT1的峰是评价组织是正常或肿瘤组织的一种方式。可以通过光谱分析单元42自拉曼谱图提取的第二光谱特征在图5中得以说明，其显示正常皮肤的真皮水平的实例拉曼谱图(曲线52A)和肿瘤的真皮水平的实例拉曼谱图(曲线52B)。可以看到在约1240CHT1至1269CHT1的波数范围53内正常光谱52A大于肿瘤光谱52B，而在附近的约1269CHT1至1340CHT1的波数范围54内正常光谱52A小于肿瘤光谱52B。因此，在范围53和54内的谱图的比较提供第二光谱特征，其本身或与第一光谱特征一起表征组织。比较可以这样进行例如，在所选波数计算范围53和54光谱强度的比率或者范围53与范围54的积分强度的比率。这些比率对于正常组织倾向于大于I而对于肿瘤组织小于I。从而，将积分强度的比率与阈值比较是评价组织是正常或肿瘤组织的一种方式。
比较范围53和54内的谱图的又一方式是在包括范围53和54的全部或部分的区域中对光谱曲线各点拟合出线。例如，可以对点55A和55B之间的光谱曲线的一部分拟合出线。在说明的实施方式中，点55A和55B分别对应于波数1240CHT1和1340CHT1。强度间的负斜率或负微分相应于正常组织而强度间的正斜率或正微分相应于肿瘤组织。在又一实例中，可以对范围53和54中最大强度点之间的光谱曲线的一部分拟合出线。同样，负斜率对应于正常组织而正斜率对应于肿瘤组织。
又一途径是测量1240-1269CHT1范围和1269-1340CHT1范围的范围内的峰。例如，峰可以在1325至1330CHT1范围和1222至1266CHT1范围内之一或两者中进行测量。测量的峰可以与阈值比较，以评价光谱对应异常组织的可能性。各种不同的技术可以用来分析拉曼谱图以确定指示肿瘤组织的特定光谱特征的度量。例如，适宜寻峰和测量功能可以用来测量899CHT1的峰和/或1325至1330CHT1范围和1222至1266CHT1范围的峰。宽范围的所述峰测量功能是本领域技术人员已知的。各种适宜的寻峰和测量算法是可商购的。产生特定光谱特征的度量的又一途径是使用多变量数据分析。例如，可以通过进行主分量分析(PCA)来分析特别的光谱。PCA可以对所得拉曼谱图的范围(例如500CHT1至1800cm_1)的部分或全部进行。PCA牵涉产生一组主分量，其代表给定比例的训练谱图中的方差。例如，在原型实施方式中，表皮组织的各光谱表示为一组4个PCA变量的线性组合而真皮组织的各光谱表示为一组3个PCA变量的线性组合。在各情况下，各PCA变量表示至少70%的一组训练谱图的总方差。主分量(PCs)可以对归一化光谱数据矩阵进行PCA推演产生PCs。一般地，PCs提供减少的正交变量数量，所述变量导致最初谱图中的绝大部分总方差。在训练组的拉曼谱图包括肿瘤组织的拉曼谱图(其中存在第一和第二特征)和正常组织的拉曼谱图(其中不存在第一和第二特征)的情况下，所述第一和第二特征将显著贡献在训练组谱图中的总方差。因此，用上述训练组产生的PCs提供从拉曼谱图提取第一和第二特征的又一机制。通过计算称为PC得分的变量PCs可以用来评价新拉曼光谱，所述得分代表特定组分在分析的拉曼光谱中的权重。然后，线性判别分析(LDA)能用来推演PC得分函数，其指出组织是否正常。在原型实施方式中，为了分析真皮中组织的拉曼谱图，将具有最大本征值的前三个PC得分用于组织分级。为了分析表皮组织的拉曼谱图，使用前四个PC得分。用LDA来确定区分功能线，其使得各组间的数据方差最大化(例如"正常"和"肿瘤"组)，同时使得相同组成员间的方差最小化。随后，根据对应未知组织拉曼光谱PC得分的点相对区分功能线的位置，区分功能线可以用来对未知组织进行归类。图6说明根据本发明实例实施方式的方法100。方法100操作拉曼光谱仪以在第一深度获得受试者组织的第一拉曼光谱(方框102A)而在第二深度获得受试者组织的第二拉曼光谱(方框102B)。在某些实施方式中，第一深度相应于表皮组织(例如是O至25μπι的深度)而第二深度相应于真皮组织(例如是超过25 μ m比如25至50 μ m的深度)。方框102A和102B可以用对活受试者保持在相同位置的探针进行。
在方框104中，将荧光背景从拉曼谱图扣除。在方框105中，将拉曼谱图归一化。在方框108A中，处理第一拉曼光谱以评价第一特征。例如，可以处理第一拉曼光谱以评价其包括899CHT1附近的峰的程度。在方框108B中，处理第二拉曼光谱以评价第二特征。例如，可以处理第二拉曼光谱以获得第二光谱在1240cm—1至1269cm—1区域比在1269CHT1至1340CHT1区域更强的程度的度量。
在方框110,显示指示。该指示基于方框108A和108B之一或者两者的输出。方法100的更简单形式省略方框102A和108A或者省略方框102B和108B。对每个点或在每个深度，并非强制获得完整的高信噪比拉曼光谱。如果对某点已收集足够拉曼光谱信息以确定该点的指示为正(例如存在足够信息以确定899cm—1的峰足够清楚地存在，以支持癌症诊断-正指示)则对该点可以停止数据收集。如果方框102A的拉曼光谱清楚地支持某点的正指示，那么该方法可以省略方框102B及有关处理步骤。实例应用皮肤病学家有看上去可疑的损伤的患者。所述皮肤病学家具有如本文描述的设备。所述皮肤病学家将探针对准损伤放置，并且获得损伤中组织的一张或多张拉曼谱图。所述设备检测如本文描述的特定光谱特征中的一种或多种，并且，响应于检测光谱特征为皮肤病学家提供损伤不正常的指示。例如，所述设备可以包括信号光，其对正常组织指出绿色(缺少指出肿瘤组织的光谱特征)而为肿瘤组织指出红色(一种或多种光谱特征指示异常组织病理，与癌性肿瘤和/或前癌性损伤相符)。皮肤病学家决定进行活组织检查和并从活组织检查送样用于组织病理学检查。如果设备指出正常组织而对损伤的视觉检查未得到结论，则皮肤病学家可能不会要求活组织检查。活组织检查结果确认损伤是癌性的并且必须切除。皮肤病学家使用设备来通过标记最邻近损伤的设备指出组织正常的点确定损伤边缘。然后，皮肤病学家手术除去损伤。因为损伤边缘已确定，能够除去整个损伤而不除去过量组织。在某些实施方式中，设备包括包括皮肤标记装置的手持探针，并且皮肤病学家操作皮肤标记装置来在已获得拉曼谱图的受试者皮肤点上作标记。在某些实施方式中，取决于点的指示标记有所不同。实验检验在体内自24只携带肿瘤的小鼠获得494张拉曼谱图以便评价(I)在不同皮肤层之间的拉曼光谱差异和(2)对于表皮和真皮的在正常肿瘤周围皮肤与皮下肿瘤上紧邻皮肤之间的光谱变化。全部动物实验根据由University of British Columbia Committee on AnimalCare批准的方案进行。通过将50 μ L磷酸缓冲盐水(PBS)中的3. 6 X IO6个细胞皮下注射入雌性C3H/HeN小鼠背部产生鳞状细胞癌(SCCVII)肿瘤。在肿瘤体积达到90至120mm3 (在肿瘤接种 10天之后)进行拉曼光谱。每隔一天通过测径器测量各肿瘤的尺度，而通过体积=(π/6)χ(肿瘤长度)x(肿瘤宽度)x(肿瘤高度)计算它们的体积。在测量之前，将全部小鼠刮净并麻醉。在相同解剖区域中，在肿瘤位点和外光正常的皮肤位点(离肿瘤场所大约3-4cm)进行从皮肤表面至更深层的纵向扫描。在各实验之后，切除测量的皮肤，处理用于组织学检查，将皮肤切片用苏木精和曙红(H&E)染色。在皮肤表面之下10 μ m至140 μ m的深度获得正常位点的264谱图和肿瘤位点的230谱图。对所得谱图进行PCA。在PCA中使用四个组包括48张正常谱图(10 μ m和20 μ m深度)，48张肿瘤谱图(ΙΟμπι和20μπι深度)，48张正常谱图(30 μ m和40 μ m深度)，和48张肿瘤谱图(30 μ m和40 μ m深度)。对于表皮(10 μ m和20 μ m深度)，保持保留70%的最初数据方差的四个PCs，用于区分分析以区别肿瘤和正常组织。对于真皮(30 μ m和40 μ m深度)，三个PCs解释70%的方差并用于分析。使用省略一个(Leave-one-out)交叉检验程序以防止过度训练。在该方法中，将一张光谱从数据组除去，并且重新进行全部算法，包括PCA和LDA并用剩余光谱组优化。然后，用优化的算法来分类保留的光谱，重复该过程直至各光谱单独分类。真皮三个PCs在图6中作图，其显示PCs获得来自胶原(855CHT1和937CHT1)，苯丙 氛酸(1001cm O,脂质(1061cm \ 1128cm S 1296cm O ,和核酸(1325-1330cm :)的信息。这与谱图中可观察的在真皮中正常与肿瘤组之间的主要差异良好相关。在表皮中，PCs也获得899CHT1信号，其是在正常与携带肿瘤的皮肤之间的最显著的差异。图7是皮肤谱图的三个PC得分(PC1、2和3)的散点图，展示两组(正常皮肤vs.肿瘤)能够很好地分开。PCs的分析提供95. 8%的最佳诊断敏感性和93. 8%的特异性。为了评价PCA-LDA模型用于用光谱数据组进行组织分级的表现，通过依次变化阈 值以确定全部样品的正确和不正确分级产生接收者操作特征(ROC)曲线。用MatLab 软件(Version 7. 6, MatLab Software, the Mathfforks Inc. , MA)进行全部多变量统计学分析，其具有统计学图谱识别工具箱(Vojtech Franc and Vaclav Hlavac, Czech TechnicalUniversity Prague, Faculty of Electrical Engineering, Center for MachinePerception, Czech Republic)。ROC 曲线下面积是 0. 96 (参见图 8)。对于表皮谱图，获得89. 6%的最佳敏感性，89. 6%的特异性和0. 88的AUC。作为用上述特定光谱特征进行组织分级的又一途径的示例，通过视觉检查确定899cm-1的峰并用来将表皮水平的谱图分为两组。2张正常谱图显示该峰(提供‘假阳性’)而2张肿瘤谱图不包括该峰。总体敏感性是95. 8%而特异性是95. 8%。作为又一示例，对于真皮水平的谱图计算1240CHT1至1269CHT1的积分强度与1269cm-1至1340CHT1的积分强度的比率(R)。9张正常谱图显示小于I的比率(指出存在较高浓度的核酸)，而2个肿瘤情况显示比率大于I (指出存在较低浓度的核酸)。该测量提供95. 8%的敏感性和81. 3%的特异性。如果拉曼光谱存在第一或第二特征则诊断试验指出癌症，发现该试验具有100%的敏感性和79. 2%的特异性。本发明的某些实施包括执行软件指令的计算机处理器，其使得处理器施行本发明的方法。例如，医学拉曼光谱仪中的一种或多种处理器可以通过执行处理器可访问的程序存储器中的软件指令来施行如本文描述的方法。本发明还可以以程序产品的形式提供。程序产品可以包括携带一组包含指令的计算机可读信号的任意介质，在通过数据处理器执行的情况下，使得数据处理器执行本发明的方法。根据本发明的程序产品可以是各式各样形式中任一种。所述程序产品可以包含，例如，物理介质比如磁性数据存储介质包括软盘、硬盘、光学数据存储介质包括⑶ROMs、DVDs、电子数据存储介质包括ROMs、闪速RAM等或传导型介质比如数字或模拟通讯链接。程序产品上的计算机可读信号可以任选地是压缩的或加密的。在上文提及组件(例如软件组件、处理器、装配物、装置、回路等)的情况下，除非另有指定，对该组件的提及(包括对"手段"的提及)应理解为作为该组件的等价物包括，发挥所描述组件功能的任意组件(也即功能上等价)，包括结构上不等价于所公开的结构但发挥在本发明示范性实施方式中的功能的组件。对本领域技术人员来说是明显的是，按照前文的公开，在实施本发明的情况下可能进行许多变更和修饰而不背离其 主旨或范围。相应地，本发明的范围应按照下述权利要求所定义的物质来解释。
权利要求
1.一种用于组织表征的设备，所述设备包括 被配置为产生拉曼光谱的共焦拉曼光谱仪； 被配置为确定拉曼光谱的至少一种特征的拉曼光谱分析单元，所述至少一种特征包括下述中的一种或多种 第一特征，基于899± IOcnT1波数处的峰值大小；和 第二特征，基于1240 ± IOcnT1至1269 ± IOcnT1波数带内的第一范围的拉曼光谱强度与UegiiOcnT1至134(^10(^1波数带内的第二范围的强度的对比；以及 响应于所述至少一种特征而被驱动的指示器装置。
2.根据权利要求I的设备，其中所述共焦拉曼光谱仪具有可变焦深且被配置为在对应于表皮组织的第一焦深获得第一拉曼光谱并且在对应于真皮组织的第二焦深获得第二拉曼光谱。
3.根据权利要求2的设备，其中所述拉曼光谱分析单元被配置为测量所述第一拉曼光谱的第一特征并测量所述第二拉曼光谱的第二特征。
4.根据权利要求I的设备，其中所述第二特征包括在所述第一范围内的积分强度与在所述第二范围内的积分强度的比率。
5.根据权利要求4的设备，其中所述第一范围是至UegiZcnT1而所述第二范围是 1269±201^ 至 1340±2011'
6.根据权利要求I的设备，其中所述指示器装置包括灯。
7.根据权利要求I的设备，其中所述共焦拉曼光谱仪包含手持探针。
8.根据权利要求I的设备，其中所述拉曼光谱分析单元包括被配置为从所述拉曼光谱扣除荧光背景的荧光背景扣除阶级。
9.根据权利要求8的设备，其中所述拉曼光谱分析单元包括荧光背景扣除阶级之后的归一化阶级，所述归一化阶级被配置为使拉曼光谱归一化。
10.根据权利要求I的设备，其中所述指示器装置被配置为响应于所测量的至少一种特征来标记组织表面。
11.根据权利要求I的设备，其中所述拉曼光谱分析单元包括表征阶级，其被配置为响应于所测量的至少一种特征而将组织表征为正常或异常。
12.根据权利要求11的设备，其中所述指示器装置被配置为产生异常组织的轮廓。
13.一种用于组织表征的方法，包括 获得组织的至少一个拉曼光谱； 在包括执行软件指令的数据处理器的编程光谱分析单元中，确定所述拉曼光谱的至少一种特征，所述至少一种特征包括下述中的一种或多种 第一特征，基于sggiiocnr1波数处的拉曼光谱强度大小；和 第二特征，基于1240 ± IOcnT1至1269 ± IOcnT1波数带内的第一范围的拉曼光谱强度与.1269±1001^至1340±1001^波数带内的第二范围的强度的对比；并且 产生响应于所测量的至少一种特征的指示。
14.根据权利要求13的方法，还包括用共焦拉曼光谱仪获得拉曼光谱。
15.根据权利要求13的方法，包括进行荧光背景扣除步骤以在确定至少一种特征之前从拉曼光谱扣除荧光背景。
16.根据权利要求15的方法，包括在荧光背景扣除步骤之后使拉曼光谱归一化。
17.根据权利要求13的方法，其中所述拉曼光谱包括对应于表皮组织的第一拉曼光谱和对应于真皮组织的第二拉曼光谱，并且所述方法包括分开确定第一和第二拉曼谱图各自的至少一种特征。
18.根据权利要求13的方法，其中确定所述至少一种特征包括下述中的一种或多种 在第一比较中，将第一特征与第一阈值比较并且基于第一比较的结果将组织表征为异常；而 在第二比较中，将第二特征与第二阈值比较并且基于第二比较的结果将组织表征为异常。
19.根据权利要求13的方法，其中所述第二特征包括第一范围内的积分强度和第二范围的积分强度的比率。
20.根据权利要求13的方法，其中确定所述第二特征，包括将第一范围内的拉曼光谱的最大强度与第二范围内的拉曼光谱的最大强度进行比较。
21.根据权利要求13的方法，其中所述第二特征包括下述之间的比较 第一范围内的拉曼光谱强度与第一范围内的标准强度的比率；和 第二范围内的拉曼光谱强度与第二范围内的标准强度的比率。
22.根据权利要求13的方法，其中所述第二特征包括在第一范围内的拉曼光谱最大强度点与第二范围内的拉曼光谱最大强度点之间连线的斜率。
23.根据权利要求22的方法，包括如果所述连线斜率为负则将组织表征为正常，而如果所述连线斜率为正则将组织表征为异常。
24.根据权利要求13的方法，其中所述第二特征是在1240cm—1波数处的拉曼光谱强度与1340cm—1波数处的拉曼光谱强度之间的连线的斜率。
25.根据权利要求24的方法，包括如果所述连线斜率为负则将组织表征为正常，而如果所述连线斜率为正则将组织表征为异常的步骤。
26.根据权利要求13的方法，包括相应于所述至少一种特征的预先确定的敏感性产生组织异常的可能性的步骤。
27.根据权利要求26的方法，其中产生指示的步骤包括产生组织异常的可能性的指示。
28.根据权利要求13的方法，其中所述产生指示的步骤包括响应于所测量的至少一种特征产生组织表面的轮廓。
29.根据权利要求13的方法，其中所述产生指示的步骤包括标记组织表面。
30.根据权利要求29的方法，其中通过共焦拉曼光谱仪在组织表面标记轮廓。
31.一种存储由至少一个数据处理器执行的指令的非暂态有形计算机可读介质，在由所述数据处理器执行的情况下使得所述数据处理器执行一种表征组织的方法，所述方法包括下述步骤 接收组织的至少一个拉曼光谱； 测量拉曼光谱的至少一种特征，所述至少一种特征包括下述中的一种或多种 第一特征，基于sggiio cnr1波数处的拉曼光谱的强度大小；和 第二特征，基于1240 ± IOcnT1至1269 ± IOcnT1波数带内的第一范围的拉曼光谱强度与1269±1001^至1340±1001^波数带内的第二范围的强度的对比； 响应于所测量的至少一种特征来表征组织；并且 产生组织表征的指示。
32.权利要求31的非暂态有形计算机可读介质，其中所述非暂态有形计算机可读介质还存储所述至少一个拉曼光谱。
全文摘要
用于区分肿瘤损伤和正常皮肤的微拉曼光谱仪系统检测指示癌症的拉曼谱图的具体特征。于899cm-1的峰和1325cm-1至1330cm-1范围的较高强度区域指出存在肿瘤。光谱仪系统可以用于皮肤癌检测和用于测绘损伤边缘。如本文描述的癌症检测方法已经实现了95.8%的诊断敏感性和93.8%的特异性。
文档编号A61B6/00GK102725624SQ201080062397
公开日2012年10月10日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者曾海山, 王鹤群, 赵建华, 雷德慰 申请人:不列颠哥伦比亚癌症分社