涉及利用光纤拉曼光谱的内窥镜进行实时癌症诊断的方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求2012年7月2日提交的美国临时申请61/667,384和在2013年4月 23日提交的GB申请No. 1307338. 2的权益，其两者通过引用整体在此并入此案W供用于所 有目的之参考。
技术领域
[0002] 本公开涉及用于在内窥镜实时癌症诊断的在线生物光谱软件平台，和用于在光纤 拉曼光谱中用于定量分析的与仪器无关的测量方法。
【背景技术】
[0003] 拉曼光谱术是使用单色光的非弹性或拉曼散射的技术。传统地，单色光源是在可 见或近红外（"NIR")范围中的激光。散射光子的能量响应于与在照射材料中的振动模式 或激发的相互作用，向上或向下移动，改变散射光子的波长。因此，来自散射光的光谱可提 供关于散射材料的信息。
[0004] NIR拉曼光谱术已知为用于在若干器官中体内癌前病变和癌性细胞和组织的表征 和诊断。该技术是理想的，因为它可W无创或微创，不需要活组织检查或组织的其它去除。 已知的是使用在两个波长范围中的NIR拉曼光谱。第一个是所谓的指纹（"FP")范围，其 中由于例如来自在用于组织表征和诊断的该光谱区域中包含的蛋白质、DNA和脂质内容的 高度特异性生物分子信息的丰富度，波长数从800到ISOOcm 4。该波长范围的缺点在于当与 通常使用的785nm激光源一起使用时，可生成强烈的组织自发英光背景信号。此外，在探针 使用光纤时，拉曼信号从在光纤中的烙融二氧化娃散射。特别地，在电荷禪合器件（"CCD") 用于测量散射光谱时，自发英光信号可使CCD饱和并且与在该波长范围中固有的非常弱的 拉曼信号的检测干扰。
[0005] 采用光纤拉曼光谱术作为一种技术的另一个问题在于仪器的标准化。光纤拉曼 光谱技术已经主要限制为单个系统，并且尚未有转用于多中也临床试验或常规医疗诊断中 的相关尝试。该主要是因为拉曼光谱仪仪器通常存在差异（即光学、响应函数、对准、通量 等）并且一般产生非常不同的拉曼光谱。此外，光纤拉曼探针的使用寿命有限并且必须定 期更换或互换。不幸地，使用不同的光纤探针采集的拉曼数据无法进行比较，因为每个光 纤探针具有其本身的独特背景，W及与不同的透射光谱特性相关联。不同的透射特性显著 地使光谱强度失真，使采用不同光纤探针获得的组织拉曼光谱不可比较。因此，在主临床 平台上开发的多变量诊断算法不能施加到次级临床平台。特别地，组织拉曼强度的定量测 量是在光纤生物医学拉曼应用中最具挑战性的问题之一。仪器/光纤探针独立强度校准 和标准化对于在生物医学中光纤拉曼光谱的全球使用的实现至关重要。出于该个原因，使 用"总"探针（'master' probe)构建的多变量统计诊断模型不能施加到采用"从属"探针 ('slave'probe)测量的光谱。为了使得拉曼技术成为用于在全球范围的癌症筛查的广泛 工具，有必要将拉曼光谱仪和光纤探针该两者进行标准化，特别是在生物医学应用中。大多 数的报道研究已经聚焦在用于不具有光纤探针的简单化学混合物的测量的跨拉曼光谱仪 标准化。一般简单化学混合物的拉曼光谱不能与异种生物组织样本的光纤拉曼光谱比较。
[0006] 采用仪器间的标准化结果的进一步问题在于与激光激发功率相关联的光谱变化。 传统地，拉曼光谱的标准化，其保留了通常光谱的形状，但该消除了绝对定量光谱特性。已 知的是尝试监测在光纤拉曼探针中传送的激光功率，例如通过在光纤尖端中嵌入钻石或在 激光路径中定位聚合物盖作为参考来进行监测。然而，该些解决方案不令人满意，并且可能 导致在所需光谱区域中的干涉。
[0007] 在使用用于体内癌症和癌前病变条件诊断的光学光谱技术（包括反射英光和拉 曼）中的其它问题在于数据分析大多限于后处理和离线算法开发。对于内窥镜分析正是如 此，因为在内窥镜期间收集的大量光谱是异常值。具有允许用于内窥镜的实时诊断的系统 将是有用的。
【发明内容】
[0008] 根据第一方面，本发明提供了校准光纤拉曼光谱系统的方法，该系统包括激光源、 光谱仪和光纤探针，该光纤探针将光从激光源发送到目标，并将散射光返回到光谱仪；该方 法包括从激光源发送光到具有已知光谱的标准目标，记录来自标准目标的散射光的校准光 谱，比较已知的光谱和校准系统，并且生成传递函数，W及存储传递函数。
[0009] 本方法还可包括随后照射测试对象、记录光谱并且根据存储的传递函数校准光谱 的步骤。
[0010] 该方法可包括记录用于多个光纤探针的每个的记录校准光谱，计算用于包括每个 所述探针的系统的传递函数，并且将传递函数与对应探针相关联。
[0011] 所述光谱仪具有相关联的光谱仪传递函数，所述探针可具有相关联的探针传递函 数，传递函数可W是光谱仪传递函数和探针传递函数中的一种函数。
[0012] 该方法可包括在主光谱仪系统上计算主光纤探针的第一传递函数，和次级光纤探 针的第二传递函数，并且基于第一传递函数和第二传递函数计算（探针间）校准函数。
[0013] 该方法可包括将校准函数与次级光纤探针相关联。
[0014] 该方法可包括在次级光谱仪系统上使用主光纤探针，生成次级系统传递函数，W 及存储所述次级系统传递函数。
[0015] 该方法可包括使用具有次级光谱仪系统的次级光纤探针，W及根据校准函数修正 存储的次级系统传递函数。
[0016] 该方法可包括根据主光谱仪系统执行次级光谱仪系统的波长轴校准的初始步骤。
[0017] 根据第二方面，本发明提供了操作拉曼光谱仪系统的方法，该系统包括激光源、光 谱仪和光纤探针，所述光纤探针将光从激光源发送到目标，并且将散射光返回到光谱仪；该 方法包括从激光源发送光到具有已知光谱的目标，记录来自目标的散射光的光谱，W及根 据存储的传递函数修正记录光谱。
[0018] 所述存储的传递函数可将光谱仪和光纤探针相关联。
[0019] 所述存储的传递函数可将光谱仪和主光纤探针相关联，并且该方法还可包括根据 与光纤探针相关联的存储校准函数来修正存储的传递函数。
[0020] 根据第H方面，本发明提供了一种拉曼光谱系统，其包括激光源、光谱仪和光纤探 针，W及存储的传递函数；所述光纤探针将光从激光源发送到目标并且将散射光返回到光 谱仪；，该系统可操作地用于从激光源发送光到具有已知光谱的目标，记录来自目标的散 射光的光谱，W及根据存储的传递函数修正记录光谱。
[0021] 所述存储的传递函数可将光谱仪和光纤探针相关联。
[0022] 所述存储的传递函数可将光谱仪和主光纤探针相关联，并且该方法还可包括根据 与光纤探针相关联的存储校准函数来修正存储的传递函数。
[0023] 根据第四方面，本发明提供了估计拉曼光谱仪系统中发送的激光功率的方法，该 系统包括激光源、光谱仪和光纤探针，该光纤探针将光从激光源发送到目标，并且将散射光 返回到光谱仪；该方法包括从激光源发送光到多个目标，对于每个测试目标，测量来自激光 源的光的发送功率和在光谱仪处散射光的光谱，执行捕捉光谱的多变量分析，其中测量的 发送功率用作为因变量，，W及存储所得的模型。
[0024] 该方法可包括如下步骤；发送激光到测试目标，向模型供应捕捉的光谱，W及计算 发送功率的估值。
[0025] 根据第五方面，本发明提供了从具有光纤探针的光纤拉曼光谱系统减去背景信号 的方法，该方法包括如下步骤：
[0026] a)存储背景光谱，
[0027] b)接收测试光谱，
[0028] C)使用一个或多个参考峰来估计背景影响，
[0029] d)基于估计的背景影响将背景光谱与校准因子相乘，并将其从测试光谱减去，
[0030] e)检查测试光谱余留的背景影响，W及
[003。 f)如果背景影响可忽略不计，则输出测试光谱，否则重复步骤（C)到（e)。
[0032] 所述一个或多个参考峰可包括与光纤探针中的二氧化娃或蓝宝石对应的一个或 多个峰。
[0033] 根据第六方面，本发明提供了在内窥镜期间使用拉曼光谱用于实时诊断的计算机 实施方法。该方法包括接收与组织相关联的至少一个光谱；在使用光谱的模型中分析至少 一个光谱W确定得分，其中所述得分指示组织是癌性的可能性；W及输出所述得分。
[0034] 在一些实施例中，模型使用解读函数来生成，所述解读函数选自由偏最小二乘判 别分析、主成分分析线性判别分析、蚁群优化线性判别分析、分类和回归树、支持向量机和 自适应增强组成的群组。
[00巧]在一些实施例中，所述至少一个光谱由拉曼光谱生成。分析模型中的至少一个光 谱可包括分析在第一模型和第二模型中的至少一个光谱。在一些实施例中所述模型基于分 析的组织来选择。在一些实施例中，得分指示组织是否为正常、异常增生或瘤形成。
[0036] 在某些方面中，分析至少一个光谱包括；执行异常分析；响应于确定至少一个光 谱是异常的异常分析，抑制光谱。执行异常分析可包括主成分分析。
[0037] 在某些方面中，音频发射装置响应于确定至少一个光谱是异常的异常分析，来发 射音频信号。响应于确定至少一个光谱是异常的异常分析来获得至少一个附加光谱，该获 得的至少一个附加光谱由系统接收W用于分析。
[0038] 在一些实施例中，音频发射装置发射识别组织为正常的、异常增生或瘤形成的音 频信号。在一些实施例中，与正常的、异常增生或瘤形