组织的拉曼分析的制作方法

专利名称：组织的拉曼分析的制作方法
技术领域：
本发明涉及测定人或动物对象体内的组织的组成的方法和设备，尤 其是涉及以非侵入性的方式进行的体内测定。仅以举例的方式，本发明 可用于测定人乳房内的组织中的微钙化点，或者可用于测定手指、脚趾、 手或足中的骨骼、软骨或其他组织的组成。
背景技术：
引言
拉曼光谱研究的是当通常由激光器产生的光子在各种介质中与分子 进行非弹性拉曼散射时，光子的波长中的微小位移。与不同分子的相互 作用可产生不同的频移，因而对拉曼光谱的分析可用于确定样品的化学 组成。非常弱的散射本性使得拉曼光谱难以在很多环境下使用，这是因 为拉曼信号被荧光及其他的背景信号所淹没。
现有技术的讨论
拉曼光谱已经用于分析各种生物组织。例如，Haka等在"Identifying Microcakifications in Benign and Malignant Breast Lesions by Probing Differences in Their Chemical Composition Using Raman Spectroscopy"(Cancer Research 62, 2002)中讨论了使用拉曼光谱来分析由 人类乳房取出的组织样品中的良性和恶性病变中出现的微钙化点的化学 组成。
使用拉曼光谱体内确定组织组成的各方面己经在例如Hanlon等的 "Prospects for〖"Wvo Raman spectroscopy" (Phys. Med. Biol. 45， 2000)中被 提出，为了人类乳腺癌诊断的目的也在Shafer-Peltier等的"Raman microscopic model of human breast tissue: implications for breast cancer diagnosis in vivo" (J. Raman. Spectroscopy 33, 2002)中被提出。该文献讨
5论了使用插入乳房并被部署在病变位置的光纤光针装置，从而特别是研 究钙化点的组成。
在良性和恶性病变中均可发现乳房钙化点，其化学组成可表示可能 的疾病状态。草酸钙(二水合物)(COD)与良性病变有关，而羟基磷灰石
(HAP)主要发现于恶性组织中。由于诸如乳房X线照相术和组织病理学
等目前的实践检测的是样本的形态，因此它们不能可靠地区分两种类型
的钙化点。乳房x线照片中的阴影往往仅是表示存在癌性病变的特征。
US2005/0010130A1讨论了使用拉曼光谱和其他光谱技术来测定骨 骼组成的各方面，该测定采取活组织检查或者通过皮肤以体内的方式进 行或者经由切口来进行。WO03/073082A1公开了使用共焦的拉曼光谱对 皮肤内的pH进行深度选择测定。
图1描述了使用拉曼光谱体内探测人或动物组织特征的方案，其与 WO03/073082中所提出的方案类似。激光源10将光子提供给共焦的光学 器件12，光学器件12将光子导入对象的表面组织14中。拉曼散射事件 16改变一部分光子的频率， 一部分拉曼散射光子发生背向散射从而由共 焦的光学器件12收集并被导向光谱分析器18。光谱分析器的输出由计算 机20解析，从而推断出其中发生了拉曼散射的组织的特征。
诸如图1中所描述的方案可用于确定位于表面或极为接近表面(例 如，离表面数十微米深的位置)的组织的性质。尽管拉曼散射在样品内 的较深处发生，但入射辐射的强度和背向散射至样品表面的拉曼散射光 子的数目随深度的变深迅速减少，并快速地被荧光和其他背景信号所淹 没。为克服该问题，并探测样品内的更深处，正如Morris等在"Kerr-gated time-resolved Raman spectroscopy of equine cortical bone tissue" ( J. Biomedical Optics 10,2005)中记载的(其中，探测到来自表面之下约300 微米深的拉曼信号)，可以对所收集的光子进行时间选通以排除时滞荧光 信号。不过，实现该时间选通的设备非常复杂，而且与要理想地探测人 和动物对象所需穿过的皮肤和其他软组织的典型厚度相比，所增加的探 测深度相当地小。
发明内容
发明目的
本发明的一个目的是提供对人或动物体内组织的组成进行测定的改 进的方法和设备，尤其是进行非侵入性的体内测定。
本发明的另一个目的是提供使用拉曼光谱探测人或动物组织的较深 的位置的方法和设备。
本发明的另一个目的是提供非侵入性地体内测定人或动物体内的一 部分，尤其是乳房内的钙化组织的组成的方法和设备。
本发明解决了有关现有技术的这些和其他问题。
发明方案
本发明提供在人或动物对象的一个部位之内进行探测的方法，该方 法包括将探测光对准所述部位的第一表面，并从所述部位的相反的另一 侧收集散射光。测定所收集的光中的拉曼光谱特征并用于确定所述部位 之内的组织的特征，例如特殊物质的存在。本发明特别有利的原闲足其 允许非侵入性地体内探测人或动物的各部位，这与现有技术的拉曼技术 不同，后者极为严重的偏向薄表面层，而本发明可探测该部位的第一侧 和第二侧之间的内部本体的特征。
使用所述方法时，收集并分析的光是已经按透射几何学透过身体部 位前向散射的光，而非按更为常见的反射几何学背向散射的光。
本发明还提供相应的设备，例如包括被布置成或被指向身体的一个 部位的一侧及相反的另一侧的照射用光学器件和收集用光学器件、向照 射源提供探测光的光源和适于接收来自收集用光学器件的收集光并确定 该收集光的一个以上拉曼光谱特征的光谱分析器。所述光谱分析器可由选 择性滤波片和适宜的光子探测仪，或常用的或傅立叶变换光谱仪来提供。
本发明还提供这样的方法和设备将探测光引导至人或动物对象的 第一表面、在所述对象的第二表面收集光、并探测来自居间的组织内的 拉曼散射的拉曼光谱信号。
特别是，本发明提供对人或动物对象的一个部位之内的组织的组成 进行非侵入性体内测定的方法，该方法包括
7引导辐射透过所述部位的第一外表面区域而进入该部位；收集所述 辐射的在前向散射透过所述部位之后在所述部位的第二外表面区域出现 的部分；
在收集的所述辐射中探测所述辐射的由所述组织的拉曼散射所产生 的特征；和
由所述特征确定所述组织的组成的测定结果。
优选的是，所述第二表面区域与所述第一表面区域彼此隔开，优选 由位于两者之间的所述组织的本体隔开。所述组织优选至少一部分位于 所述第一表面和第二表面之间，更优选直接地位于所述第一表面和第二 表面之间。特别是，至少在引导步骤和收集步骤中，所述第二表面区域 可以位于所述部位的与所述第一表面区域相反的一侧。
组成的测定可以是对所述组织内的钙化点的组成的测定，例如，对 类型I (草酸钙物质)和类型II (磷酸钙物质，例如羟基磷灰石物质)中 的至少一种的测定。如果该身体部位是人或动物的乳房，则这些测定尤 其合适，在该情况中，可在相对布置的夹具或板子表面之间以所述夹具 表面将该乳房的所述第一外表面和第二外表面压向彼此，以此挤压所述 乳房。
本发明还提供诊断疾病，如乳腺癌状况的方法，该方法包括如前所 述地确定所述的组成测定结果并基于所述组成测定结果来获得该疾病的 诊断结果。
本发明可以在各种身体部位上进行，如手指、肢端、嘴唇、耳朵、 眼睑、牙齿、舌头或鼻子，所述组织可包括诸如骨骼、软骨、骨髓、脑、 神经、脂质、血液、牙齿和乳房组织等组织中的一种以上。


参照附图，以下将仅以举例的形式描述本发明的实施方式，图中-
图1描述了使用背向散射几何学对组织进行拉曼探测的方案；
图2描述了使用前向散射透射几何学对身体部位进行拉曼探测的方
案；
8图3显示了适于在临床环境中对乳房组织进行拉曼探测的仪器； 图4显示了用于蒙特卡罗(Monte Carlo)散射模型的理想化身体部 位样品的结构；
图5显示了透过所照射的表面进行背向散射或者透过相反侧表面进 行前向散射的拉曼光强度的图表，该图描绘了拉曼光强度与拉曼散射事 件的深度的对应关系，其结果由图4的模型算得；
图6描述了在鸡胸样品上示范本发明的原理的实验装置，在该鸡胸 样品中包封有与在乳房病变中所发现的物质类似的钙化物质的光学元件；
图7a显示了由空置元件和装有HAP或COM(脱水草酸药)药化物质 的元件得到的光谱；
图7b显示了扣除空置元件背景的图7a的HAP和COM光谱；
图7c显示了以与图7b同样的方式获得的光谱，不同之处在于将鸡 皮加至样品的外表面；
图8a显示了通过将一薄层HAP或COM材料涂抹在鸡胸内表面上而 非使用光学元件所得到的光谱；和
图8b显示了扣除仅使用组织的背景光谱的图8a的HAP和COM光谱。
具体实施例方式
参考图2，以截面形式显示了人或动物体的位于照射用光学器件32 和收集用光学器件34之间的一个部位30。激光器36向照射用光学器件 32提供光子源，照射用光学器件32引导光子透过所述部位的第一外表面 区域40进入该身体部位。在该部位内，少量的光子经历拉曼散射事件42 并发生频移，频移的量取决于其中发生散射事件的组织，尤其是该组织 中的分子。 一部分拉曼散射光子透过所述部位的第二外表面区域44穿过 身体部分30，并由收集用光学器件34收集。
照射用光学器件和收集用光学器件围绕该身体部位配置，以使所收 集的光子透过该身体部位按透射几何学进行前向散射，而不是按反射几 何学背向散射。特别是，实施所述方法时，可将照射用及收集用光学器 件配置在所述身体部位的相反两侧，优选使待测定的组织位于第一和第二表面区域之间。
适当地对由收集用光学器件收集的光子进行分析以确定在组织内发
生的拉曼散射的特征。在图2的布置中，使用光谱分析器46 (例如可以 是傅立叶转变光谱仪，或使用一个以上窄通滤波片)探测拉曼光子的特 征。计算机48处理由该光谱分析器提供的数据以提供例如组织的化学特 征或组成的指示。
实际上，照射用及收集用光学器件可采取多种形式，例如可进行控 制以适当地定位于第一和第二表面区域附近的光学光纤束。照射用及收 集用光学器件也可以配有用于扫描样品的表面的自动化工具，和/或可以 配有可有选择地用以照射和/或收集来自所述部位的不同部分的光子的不 同部件。
所述身体部位可以是各种不同身体部位中的任一种，并且可相应地 改造照射用及收集用光学器件。例如，所述身体部位可以是诸如手指、 脚趾、足、手或耳朵等肢端或肢体，所述测定的组织可以是骨骼、软骨、 关节液、血液或皮肤。
也可以配置支架或其他的限制或定位用工具，从而使身体部位呈现 于光学器件。图3描述了对人类乳房实施本发明的仪器50。该仪器在许 多方面与现有技术中常见的用于获得检测乳腺癌所用的乳房X线照相图 像的X射线仪类似。使用时，将人类乳房置于两个乳房夹具或板52之间 (该夹具或板通常由透明塑料制成或至少具有透明塑料表面)，然后进行 调节以将乳房主体挤压至厚度为约2cm。在现有技术的仪器中，X射线 源54装在乳房夹具52上方，X射线照相机或膜56装在下方的乳房夹具 之中。然而，在图3的实施方式中，乳房夹具之一与图2的照射用光学 器件32合并为一体，另一个乳房夹具与收集用光学器件34合并为一体。 所述光学器件可以被自动驱动以扫描被夹持的乳房，可以被自动驱动或 手动调节以指向所关注的特定区域，或者它们可达到足以覆盖被夹持的 乳房的主要部分的程度。此外，仪器50可以包括也可以不包括如上所述 的X射线工具。如果包括X射线工具，则X射线图像数据可用于指导拉 曼光学器件的操作从而研究乳房的特定部位。
10尽管图3中未图示，不过仪器50还优选包括用于对所收集的拉曼光 进行光谱分析的工具，和用于处理光谱分析的结果以向临床医师提供有 用信息的计算机设备。例如，所述计算机设备可用于解析光谱分析的结 果，从而输出表示在所探测的乳房组织中不同化学类型的钙化点的存在 程度的数据。
上述方法和设备尤其可用于例如，通过区分在下面将要讨论的乳房 组织中所发现的钙化点的不同类型而探测并测定乳房和其他组织中的钙 化点。在许多不同的生物组织中发现有钙化点，其既可能作为天然产物 形成在例如骨骼和牙齿中，也可能作为疾病的后果在软组织中形成。天 然的转化点作为矿化产物存在于骨骼中，由特定的矿物羟磷灰石构成。 病理钙化点与许多医学病症(如糖尿病、乳腺癌以及与晶体相关的骨关 节炎等)有关。钙晶体在细胞上的沉积引发有害的细胞反应，并加速相 关疾病的推进。
乳房X线照相图像中存在的钙化点是具有特殊诊断意义的特征，因
为某些时候这可能是恶性乳房病变的唯一标志。乳房x线照相术可探测
身体检査所无法探测的小肿块、小畸变区域、边界不清楚区域的密度和 微钙化点。不过，由于其仅依赖于样本的形态，因此对于良性和恶性钙
化点的分类没有确定性的标准。事实上已经发现由乳房x线照相术探测
到的病变中仅有10% 25%的比例经穿刺活检被发现是恶性的。
微钙化点可分为两种类型；由脱水草酸钙(COM)构成的类型I，和由 磷酸钙、主要由羟基磷灰石(HAP)构成的类型II沉积物。目前，没有可靠 的方法通过乳房X线照相术区分这两种类型的钙化点，但所述类型据认 为与疾病有关(例如，参见Haka A. S等，"Identifying differences in
microcalcifications in benign and malignant breast lesions by probing differences in their chemical composition using spectroscopy", Cancer Research 62 (2002) 5375-5380)。草酸钙晶体主要见于良性胆管囊肿而鲜 见于癌肿中，而羟基磷灰石沉积物经常见于癌肿中。
此处描述的方法和设备可用于非侵入性地体内测定病变和钙化点的 化学组成，使得对诊断乳房病变能有更为简单化的判定。这可用于减少患者的创伤、时间延误和与良性病变的活组织检查有关的高医疗成本。 数学模型
Monte Carlo模型用于模拟在诸如图2的身体部位30等混浊介质中 散射的照射光子和拉曼光子的传递。该模型用于计算背向散射和前向散 射的拉曼光子相对于其在混浊介质中的深度的相对强度。简言之，当弹 性(照射)和非弹性(拉曼)散射光子在三维空间中以随机行走方式透
过所述介质传播时，分别对其进行追踪。建立以下简化的假设在每一
步中，光子以直线传播一段距离t，之后其方向在下一次散射事件中完全 随机化。尽管该描述从单独的散射事件考虑时过于简化，不过，透过混
浊介质传播的光子通常不得不先经历多个散射事件(例如10 20个)， 然后其初始传播方向变得完全杂乱。这是因为各单独的散射事件经常强 烈地偏向于前向散射。不过，已经证实，对于此处所关注的大传播距离 (例如与次表面组织的研究有关的那些距离)来说，各多次散射事件可 以近似为在"随机化长度"t上发生的一个单一的复合事件(MatousekP. 等，Applied Spectroscopy 59, p1485， 2005)。该简化假设使得能够用适度 的计算量分析大传播距离。
传播距离t (超过该距离后光子的方向随机化)可以粗略近似为散射 介质的传输长度(lt)(Brenan C.禾口 Hunter I., Journal of Raman Spectroscopy 27，p561， 1996)，其以类似的方式被定义为光子在明显偏离其初始传播方 向前在样品内必须行进的平均距离。传输长度通常比光子在介质中的平 均自由散射长度(ls)长一个数量级；准确关系是ls=(l-g) lt，其中g是该 单独散射事件的各向异性度。在本发明的模型中，还假定透过介质传播 的光的波长远远短于散射长度ls。
模型化的样品身体部位60图示于图4中。可认为该样品身体部分在 x和y方向上无限延伸，空气-介质界面位于顶表面62 (z=0)和底表而 64 (z=d3)处，其中z是该界面平面的法向上的笛卡尔坐标。除了中间 层66之外，该样品身体部位被模型化为均匀的混浊介质，中间层66具 有不同拉曼符号以代表所关注的组织，中间层的厚度为d2，其顶表面位 于深度dl处。整个模型化的样品的厚度为d3(d3〉=dl+d2)。也就是说，
12样品介质主体位于深度zl处以使dl>zl>0和d3〉zl>(dl+d2)，并且具有 不同拉曼符号的中间层位于深度z2处以使dl+d2<z2<dl。在此处报道的 模拟中，参数d2和d3分别固定在0.5 mm禾tUmm， dl在Omm 3.5 mm 范围内变化以代表中间层66在样品60的主体中的不同深度。
该模型假定，所有的照射光子均先位于等于传播长度lt的深度处， 并以坐标体系x、y的原点为中心对称分布。入射光r的光束半径是3 mm， 光束被赋予均匀的"top-hat"光强分布，所有的光子在样品截面内的任何 点被注入样品的概率均相等。在该模型中，首先在顶部样品表面62收集 来自入射光的照射区域的拉曼光，再在以顶部收集区/激光照射区的投影 轴为对称轴的样品的相反侧64上另外收集拉曼光。
通过使各单独的激光束光子经过步幅t后转向一个随机的方向而使 各激光束光子穿过介质进行传播。在每一步中，光子转化为拉曼光子的 概率是既定的。在该模拟中假定光子的吸收可忽略不计。激光束光子向 拉曼光子转化的转化以光密度的形式表示。也就是，例如，每1 mm为1 或2的光密度(OD)分别相当于，经过1 mm的总传播长度，照射光子l大l 转化为拉曼光子而数目减少了 10倍或100倍。将导致照射光子向拉曼光 子的转化的光密度设定为0.01/mm。尽管该值高于真实的转化值，不过其 仅仅影响拉曼光子的绝对数目，而不影响所研究的体系中所关注的空间 依赖性。当照射光子转化为拉曼光子时，识别并记录发生该事件的层。 拉曼光子以与照射光子相同的方式传播。在样品-空气界面62、 64处主要 存在光子逃逸机制，因为从样品的这两个界面处出现的所有激光光子均 不返回样品中，而是有效地从迁移过程消失。将在顶部或底部界面处以 激光束的轴为中心的半径为3 mm的收集孔内出现的拉曼光子单独统计 为探测到的拉曼光子。将任何自样品出现的光子从进一步的计算中排除。
用于实施该模型的数值代码记录于Mathematica 5.0 (Wolfram Research)中。100,000个模拟光子被传播，每一个均通过40 mm的总距离， 这与在不存在吸收的拉曼光谱中所观察到的典型的迁移时间相 -致。所
用的步长t二0.2mm (即，使用200步)。这相当于由粒径分别为lOiam和 20pm直径、各向异性度分别为0.9和0.95的粉末构成的样品。因此，颗粒的尺寸，与直径为10 pm 20 pm量级的绝大多数上皮细胞的尺寸相当。 此外，许多微钙化点也是这个量级。已证实，经过这些迁移时间，绝大 多数的光子消失在样品-表面界面处。这个过程重复50次。因此传播的光 子的总数目是106，估计总步数约为109。计算在这些重复移动中所探测 到的全部拉曼光子的总数。
图5中显示了起源于中间层66并在上表面62作为背向散射光子被 收集的拉曼光子的数目和在下表面64处作为透射光子被收集的拉曼光子 的数目。这些曲线图显示了从dl=0 mm的顶表面至dl=3.5 mm的底表面 范围内的中间层66的八个不同深度dl处的背向散射光子及透射光子的 数目。
由图5可清楚地看出，即使以直径高达6 mm的孔按背向散射几何 学收集拉曼光子也会产生极强的朝向样品身体部位的表面层的偏离。将 厚度为0.5 mm的中间层从照射表面重新置于1.5 mm深度处时，拉曼背 向散射强度减少了97%。在大多数的实际应用中，拉曼信号早已被来自 介质表面区域的拉曼或荧光信号淹没。在3mm深度处，源自中间层的拉 曼信号己从其零深度处的初始水平下降了 4个数量级。另一方而，透射 拉曼光子的强度的依赖性仅仅显出对样品内的中间层的位置的较弱的依 赖。当中间层在深度为0mm和3.5mm之间移动时，相应的拉曼信号仅 仅改变约2倍。来自中间层的拉曼信号的绝对强度仅仅比相对直接地进 行探测的本体介质的拉曼信号的绝对强度低大约20倍。因此，相对于常 用的背向散射几何学而言，透射几何学清晰地提供了更具有代表性的对 身体部位内部的本体的取样，同时具有令人满意的灵敏度。
对于背向散射几何学，该模型也揭示出，身体部位样品的厚度从lmm 增加至4 mm使得按背向散射几何学探测到的拉曼信号增加了 58%。如 果过于简化的话，这有可能被错误地解释为额外的拉曼光子产生自在1 mm 样品层的顶部增加的额外的3 mm厚度(在4 mm厚的身体部位所观察到 的全部拉曼信号中，额外的拉曼光子占37%)。然而，4mm厚的身体部 位的模型显示出88%的拉曼信号源自顶部的1 mm层，仅有12%源向剩 余的3 mm的身体部位厚度。这额外的3 mm物质不仅对拉曼光子的额外
14产生作出贡献，而且减少了源于下表面64处的1 mm层中的拉曼光子的 损失。因而，通过增加另外的3mm样品而使得背向散射的拉曼光子增多 也可以通过使产生于上表面附近的拉曼光子返回该拉曼光子可能会出现 并被收集的所述上表面而实现。同样， 一些照射光子散射返回上表面62， 使得它们在顶部的1mm层中进而产生更多的拉曼光子。 实施例
如图6所示，在实验室中对拉曼光谱在透射性前向散射几何学屮的 应用进行了模拟。样品如下构造使用生鸡胸组织72，将其切割为约8 mm 的厚度，并将其巻绕在光路长度为2 mm、侧面尺寸为10 mmx40 mm的 透明腔室74上。在所述腔室中放置探测用钙化物质76。所用的钙化物质 是草酸f丐(二水合物)(COD)或羟基磷灰石(HAP)，这两种物质均己在上文 有关乳房组织的微钙化点的部分中被讨论过。
激光器78用于产生照射光束，采用照射用光学器件使所述光束对准 样品的第一表面区域80，用收集用光学器件收集透过样品总厚度(包括 光学腔室74和两层鸡胸72)散射至第二表面区域82的光。然后分析所收 集的光中的拉曼分量以确定光学腔室中的物质可以被探测并鉴别的程度。
使用适于拉曼光谱并且工作波长为827 nm的温度稳定的二极管激 光器78 (MicroLaserSystems,Inc,L4 830S-115-TE)来产生照射光束。第--表面区域的激光源约为60 mW，第一表面区域的激光光斑直径约为4 mm。 通过使用两个830 nm的Semrock(RTM)带通滤波片(84)从光谱中移除 任何残留的放大的自发辐射分量，从而对光束进行光谱纯化。将这些滤 波片轻微倾斜以使827 nm激光波长处的通过量最优化。
照射用光学器件配有光纤探针86，其端部接有一束由7根光纤芯和 26根外置的环型光纤构成的光纤束。该探针与用于收集用光学器件的探 针的构成相同，下面对其进行更详细的描述。
使用下述收集用光学器件收集透过样品散射至第二表面区域82的 光。用焦距为60mm、直径为50mm的透镜90聚集由该区域出现的光。 将经聚集的光校准并使其穿过50 mm直径的全息窄带带阻滤光片92 (830nm， Kaiser Optical System, Inc)，从而抑制相当于原始激光频率的
15光的弹性散射分量。也将该滤光片轻微倾斜以使对于827 nm的弹性散射 分量的抑制最优化。随后使用与第一透镜相同的第二透镜94以使样品相 互作用区在光纤探针96的正面上成像，其放大倍率为1:1。以这样的方 式定位第一表面区域处的激光入射光斑使其通过成像体系被投影在样 品上时与探针轴的中心重合。在探针96之前紧挨着探针96的位置，使 用25 mm直径的全息窄带带阻滤光片(98) (830 nm， Kaiser Optical System, Inc)和边缘滤光片(99) (830 nm， Semrock)，从而抑制任何穿过第一全息窄 带带阻滤光片92后残留的弹性散射光。
光纤探针96由紧密包束在探针中心的7根光纤和分布在3 mm ，径 的环上的26根光纤构成。所述光纤由二氧化硅制成，纤芯直径为200 pm， 包覆直径为230 pm，数值孔径为0.37。将两端的套筒剥去以更紧密地包 束光纤。光纤束定制于C Technologies Inc.。拉曼光通过长度为约1 m的 光纤系统传播至线型光纤末端，该末端垂直取向并位于Kaiser Optical Technologies Holospec f# = 1.4 NIR光谱仪100 (其狭缝已移除)的输入图 像平面内。在该取向中，光纤本身用作光谱仪的输入狭缝。通过将来自 两套光纤的信号合并(bin)为单一光谱(全垂直芯片合并(binning))而使用 深耗尽冷却CCD照相机102收集拉曼光谱。该拉曼光谱并未经过针对探 测体系的灵敏度在整个活性光谱范围内的变化而进行的校准。
图7a显示了光学腔室空置(110)时、光学腔室充满HAP粉末(112) 时和光学腔室充满COM粉末(114)时，使用上述设置测定的光谱。这 些光谱相对于右轴的刻度绘制，并具有额外的任意偏移以在垂直方向I: 分离光谱。为便于参考，显示了使用相同试验设置但不包括鸡胸组织而 获取的光谱，即HAP粉末(116)和COM粉末(118)。这些参比光谱相 对于左轴的刻度绘制，也具有额外的垂直偏移以分离光谱。纯HAP和 COM光谱的主要特点分别在完整实验的曲线112和114中清晰可见。
图7b是从图7a的HAP(120)和COM(122)的光谱中扣除仅有组织的 光谱(110)的图像，再次显示了纯HAP和COM光谱以用于参考的目的。
将鸡皮层加至样品的一个表面，重复试验，图7c显示了该试验的结 果，其中背景扣除的HAP光谱是124，背景扣除的COM光谱是126，图7C在其他方面与图7b相同。
在图7a 7c显示的所有情况中，即使所收集的光己经透过16 mm以 上的组织而被散射，HAP或COM物质的主要光谱特征仍清晰可见。
在其他一些试验中，制备样品，但不使用光学腔室。作为替代，将 COM或HAP粉末涂抹在鸡胸组织上，以使各自约为16 mm厚的两层鸡 胸组织之间的钙化物质层的厚度约为100 pm 300 pm。图8a显示了采用 使用COM粉末(130)、HAP粉末(132)和不具有粉末层的对照背景(134) 的该样品获得的光谱。扣除背景光谱的COM和HAP光谱分别显示为图 8b中的曲线136和138，纯COM和HAP光谱显示用于参考。尽管样品 中存在少量的COM和HAP材料，但是可鉴别出这些物质的主要光谱特 征仍然清晰可见。
尽管以上讨论的实验证明了对于临床应用的足够的信号强度，但仍 可通过增大入射光束的功率和收集系统的效率而进一步改进该技术的灵 敏度和穿透深度。例如，可将入射光束以及与之相应的第一表面区域扩 大至例如直径为数厘米，使得入射光束的功率接近于可安全使用的1瓦 特。可以同样地按比例调整收集用光学器件以通过使用例如成像用光学 器件、大光纤束或同时使用以上两者来覆盖较大的第二表面区域，从而 收集尽可能多的透射光。
照射用和收集用光学器件可采用各种形式。根据具体的应用环境， 可使用成像用光学器件或光纤使照射光从较宽范围的距离投影至第一表 面区域。
尽管本发明对非侵入性体内临床应用进行了要点描述，不过本质上 来说采用透射几何学的拉曼光谱的这些方法和设备也可用于在外科手术 或侵入性医疗过程中表征体内组织。这样的过程可通过例如使用探针或 类似物在开口 (例如皮肤下)中只插入照射用或收集用光学器件之一而 实现最低限度的侵入。
对于本领域技术人员显而易见的是可以对已描述的实施方式进行各 种变化和改进，而不会背离本发明的要旨和范围。
1权利要求
1. 一种对人或动物对象的一个部位内的组织的组成进行非侵入性体内测定的方法，该方法包括引导辐射透过所述部位的第一外表面区域而进入该部位；收集所述辐射的在前向散射透过所述部位之后在所述部位的第二外表面区域出现的部分；在收集的所述辐射中探测所述辐射的由所述组织的拉曼散射所产生的特征；和由所述特征确定所述组织的组成的测定结果。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，所述第二表面区域与所述第一 表面区域彼此隔开，以使所述组织的至少一部分完全位于所述第一外表 面区域和第二外表面区域之间。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中，至少在所述引导和收集步 骤中，所述第二表面区域位于所述部位的与所述第一表面区域相反的一 侧。
4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述组织包含钙化 点，而且对所述组成的所述测定是对所述钙化点的组成的测定。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，对所述组成的所述测定包括对 作为草酸钙物质的类型I和作为磷酸钙或羟基磷灰石物质的类型II中的 至少一种类型的测定。
6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述身体部位是乳房。
7. 如权利要求6所述的方法，所述方法还包括在相对布置的夹具表 面之间以所述夹具表面将该乳房的所述第一外表面和所述第二外表面推 向彼此，以此挤压所述乳房。
8. —种诊断乳腺癌状态的方法，所述方法包括执行前述权利要求中 任一项所述的方法的步骤，以确定所述的组成测定结果，并根据所述组 成测定结果来获得所述乳腺癌状况的诊断结果。
9. 一种探测活体组织样品的方法，所述方法包括.-将入射辐射引导至所述样品的第一表面；. 从所述样品的第二表面收集所述入射辐射的前向散射分量；和 在所收集的辐射中探测拉曼辐射。
10. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述组织包括骨 骼、软骨、骨髓、脑、神经、脂质、血液、牙齿和乳房组织中的至少一 种。
11. 用于对人或动物对象体内的组织的组成进行非侵入性体内测定 的设备，所述设备包括照射用光学器件，所述器件经配置而用于将探测光引导至所述对象 的第一表面；收集用光学器件，所述器件经配置而用于从所述对象的第二表面收 集前向散射光，使得所述组织的至少一部分位于所述第一表面与所述第 二表面之间；光源，所述光源经配置而用于向所述照射用光学器件提供所述探测 光；禾口分析器，所述分析器用于接收来自所述收集用光学器件的收集光并 确定所述收集光中的一个以上的拉曼光谱特征。
12. 如权利要求ll所述的设备，所述设备还包括数据处理器，所述 数据处理器经配置而用于接收经确定的所述一个以上的拉曼光谱特征并 根据所述特征推导出所述组织的组成的一个以上的指示。
13. 如权利要求11或12所述的设备，所述设备还包括限制器，所述 限制器经配置而用于限制包含所述组织的所述对象的至少一部分的移 动。
14. 如权利要求11 13中任一项所述的设备，所述设备还包括经配 置而用于确定所述组织的特征的X射线源和X射线探测器。
15. 用于对人或动物对象的乳房内的钙化组织的组成进行非侵入性 体内测定的设备，所述设备包括乳房用支架，所述乳房用支架至少包括第一支架表面和第二支架表面，该第一支架表面和第二支架表面经调节而呈相对布置，以用于挤压所述支架表面间的乳房；照射用光学器件，所述器件经配置而用于当所述乳房在所述乳房用 支架内受到挤压时引导辐射进入所述乳房；收集用光学器件，所述器件经配置而用于收集所述辐射的从所述乳 房出现的部分；和探测器，所述探测器用于在收集的所述辐射中探测所述辐射的由所 述l丐化组织的拉曼散射所产生的特征。
16. 如权利要求15所述的设备，所述设备还包括数据处理器，所述 数据处理器用于由所述特征确定所述钙化组织的组成的测定结果。
17. 如权利要求15或16所述的设备，所述设备经配置而使所述组 织位于所述照射用光学器件与所述收集用光学器件之间。
18. 如权利要求17所述的设备，其中，所述照射用光学器件经配置而用于引导辐射透过所述乳房的面向所述第一支架表面的第一表面区 域，所述收集用光学器件经配置而用于收集所述辐射的透过所述乳房的 面向所述第二支架表面的第二表面区域而从所述乳房出现的部分。
全文摘要
本发明提供了组织的拉曼分析，其使用透射而非背向散射几何学探测通过人或动物对象的一部分散射的光中的拉曼光谱特征，从而对该部分中的组织的组成进行非侵入性体内测定。该技术适用于探测人乳房组织中的钙化点。
文档编号A61B5/00GK101460091SQ200780020709
公开日2009年6月17日 申请日期2007年4月5日 优先权日2006年4月5日
发明者安东尼·维廉·帕克, 尼古拉斯·斯通, 帕维尔·马陶谢克 申请人:科学技术设备委员会