（光学专业论文）光学相干层析成像和反射光谱技术对胃癌早期诊断的研究.pdf

摘要 l u li i ii i i ii ii i i iuiii y 17 6 8 0 3 3 摘要 采用快速、非侵入及高分辨率等特点的光学相干层析成像技术( o p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h y , o c t ) 探究不同浓度的，不同的作用时间光透明剂甘油对人体早期胃癌组织的微 观结构o c t 成像的深度和图像对比度的影响，从而选择最佳的浓度和作用时间。可以更快速、 精确的对人体胃癌进行早期的鉴别诊断。同时采用o c t 技术探究热作用下正常胃组织和胃腺 癌组织的光衰减系数随着温度的变化特征，实验结果表明蛋白质的热致变性导致j 下常胃组织 和胃腺癌组织的o c t 信号的光衰减系数显著性变化并且存在很大的差异性。其为激光诱导间 质肿瘤热疗法( l a s e r - i n d u c e di n t e r s t i t i a lt h e r m a lt h e r a p y ，l i t t ) 中优化剂量、尽量减少对周 围健康组织损伤以及确保安全性和疗效性提供了有益的参考。也为采用o c t 技术分析各种生 物组织的光学特性随着温度的变化提供了一种有效的工具。 另外，采用低成本、快速、非入侵的漫反射光谱法以及漫反射光谱的转换光谱 k u b e l k a m u n k ( k m ) 光谱对离体的人正常胃、未分化胃腺癌、胃鳞状细胞癌和低分化胃腺 癌的黏膜膜浆膜组织进行鉴别诊断。实验采用带积分球附件的光纤光谱仪测量外科手术切除 的离体胃癌损伤部分在波长2 0 0 , - - - 6 5 0n n l 范围内的漫反射光谱，结果表明人体胃组织黏膜浆 膜的恶性损伤部位具有较低的漫反射强度，并且由于d n a 、蛋白质、p 一胡萝卜素和氧合血红 蛋白的吸收的不同使得漫反射强度在2 6 0 ，2 8 0 ，4 8 0 ，5 4 2 和5 7 5n n l 处显示显著的差异性。 通过对外科手术切除后九个小时之内的恶性病变的和邻近的非入侵的上皮黏膜的漫反射光谱 的测量、漫反射光谱的转换光谱k m 光谱的测量以及漫反射强度比率r 5 4 0 瓜5 7 5 的测量可以 得到肿瘤组织中由于d n a 、蛋白质、b 胡萝卜素含量的变化以及微血管量和血液含量的增殖 使得正常胃组织和病变组织之间存在着显著的差异性，并随着恶性肿瘤的组织形态学病理分 级而变化。可见，入胃上皮组织的癌变导致其d n a 、蛋白质和p 胡萝卜的含量都发生了显著 的变化。这结论为快速、低成本、非入侵的胃癌的光活检及鉴别诊断胃癌提供有益参考。 可见，采用漫反射光谱、漫反射光谱的转换光谱k m 光谱以及o c t 成像对早期胃癌的 鉴别诊断在临床应用上可以一种有效工具来辨别人体胃组织恶行病变和正常上皮黏膜。这结 论为快速、低成本、非入侵的胃癌的光活检、胃癌的早期鉴别诊断和治疗提供有益的参考。 关键词：组织光学；胃癌诊断；漫反射光谱；漫反射比率r 5 4 0 r 5 7 5 ；k m 光谱函数； o c t ；光透明剂 a b s t r a c t a b s t r a c t w eu s e dh i g hr e s o lu t i o nn o n - i n v a s i v eo p t i c a li m a g in g ( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y , o c nt oe x p l o r et h e e f f e c to fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fg l y c e r o la sao p t i c a lc l e a r i n ga g e n ta n dd i f f e r e n ta c t i o nt i m eo nt h eh u m a n g a s t r i cc a n c e rt i s s u em i c r o s t r u c t u r eo c ti m a g i n gd e p t ha n dc o n t r a s to ft h ei m a g ea n dt oc h o o s et h e b e s to f g l y c e r o lc o n c e n t r a t i o na n da c t i o nt i m et oi n c r e a s et h eo c tt e c h n o l o g yi nt h eh u m a nm i c r o - s t r u c t u r eo ft h e o r g a n i z a t i o no fe a r l yg a s t r i cc a n c e ri m a g i n gd e p t ha n di m a g ec o n t r a s t t h u sm a yb em o r er a p i d a c c u r a t e d i f f e r e n t i a ld i a g n o s i so fh u m a ng a s t r i cc a n c e r a n dw eu s e do c tt e c h n o l o g yt oe x p l o r et h el i g h ta a e n u a t i o n c o e f f i c i e n tc h a n g e so fn o r m a lg a s t r i ct i s s u ea n dg a s t r i ca d e n o c a r c i n o m aw i t ht e m p e r a t u r e ，t h er e s u l t ss h o wt h a t t h et h e r m a l l yi n d u c e dd e n a t u r a t i o nr e s u l t si nt h eo c ts i g n a la t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n tc h a n g e si nt h en o r m a lg a s t r i c m u c o s aa n dg a s t r i ca d e n o c a r c i n o m aa f t e rh e a tt r e a t m e n ta n ds h o w ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c e t h er e s u l t sp r o v i d e sa u s e f u lr e f e r e n c ef o ro p t i m i z a t i o no ft u m o rd o s a g e ，m i n i m i z a t i o nd a m a g et os u r r o u n d i n gh e a l t h yt i s s u ea n dt h e s a f e t ya n de f f i c a c yo ft h et r e a t m e n ti nt h el a s e r - i n d u c e di n t e r s t i t i a lt h e r m a lt h e r a p y ( l i m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v i d ea ne f f e c t i v ew a yt oa n a l y z et h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fb i o l o g i c a lt i s s u ew i t ht h et e m p e r a t u r eu s i n g o c t t e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，d i f f e r e n t i a l d i a g n o s i so fe p i t h e l i a lt i s s u e so fn o r m a lh u m a ng a s t r i c ，u n d i f f e r e n t i a t e dg a s t r i c a d e n o c a r c i n o m a ，g a s t r i cs q u a m o u sc e l lc a r c i n o m a s ，a n dp o o r l yd i f f e r e n t i a t e dg a s t r i ca d e n o c a r c i n o m aw e r es t u d i e d u s i n gal o w - l o s t ，f a s t ，a n dn o n i n v a s i v em e t h o db a s e do nd i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r a ls i g n a t u r e s ，k u b e l k a - m u n k s p e c t r a lf u n c t i o n ( k - mf u n c t i o n ) w h i c hw a se x t r a c t e df r o mt h ed i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y e xv i v od i f f u s e r e f l e c t a n c es p e c t r ai nt h e2 0 0n mt o6 5 0a mr e g i o nw a sm e a s u r e df r o ms u r g i c a l l yr e m o v e dg a s t r i cl e s i o n su s i n ga s p e c t r o p h o t o m e t e rw i t ha ni n t e g r a t i n gs p h e r ea t t a c h m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e f l e c t a n c es p e c t r a li n t e n s i t y w a sl o w e ri nm a l i g n a n tt i s s u e sa n ds h o w e ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sa t2 6 0 ，2 8 0 ，4 8 0 ，5 4 2a n d5 7 5n mo w i n gt o a b s o r p t i o nf r o md n a ，p r o t e i n ，3 - c a r o t e n ea n do x y g e n a t e dh e m o g l o b i n ( h b 0 2 ) m e a s u r e m e n t sc a r r i e do u t ，w i t h i n n i n eh o u r so fs u r g i c a le x c i s i o n , o nm a l i g n a n tl e s i o na n da d j o i n i n gu n i n v o l v e dm u c o s a s e r o s as h o w e dt h a tt h e s e a b s o r p t i o nf e a t u r e sa r em o r ep r o m i n e n td i f f e r e n c e si nn e o p l a s t i ct i s s u e so w i n gt oc h a n g e di nt h ec o n t e n t so ft h e d n a ，p r o t e i n ，6 c a r o t e n ea n di n c r e a s e dm i c r o v a s c u l a t u r ea n db l o o dc o n t e n t a n dt h ed i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r a , k mf u n c t i o na n dt h ed i f f u s er e f l e c t a n c ei n t e n s i t yr a t i or 5 4 0 r 5 7 5v a r ya c c o r d i n gt ot h eh i s t o l o g i c a lg r a d eo f m a l i g n a n c y i ti so b v i o u st h a tp a t h o l o g i c a lc h a n g e so fg a s t r i ce p i t h e l i a lt i s s u e si n d u c e dt h a tt h e r ew e r es i g n i f i c a n t c h a n g e si nt h ec o n t e n t so ft h ed n a ，p r o t e i na n d 肛c a r o t e n eo fg a s t r i ce p i t h e l i a lt i s s u e s c o n c l u s i o nt h a tc a l lb e a p p l i e dt or a p i d ，l o w - c o s ta n dn o n i n v a s i v et h eo p t i c a lb i o p s yf o rg a s t r i cc a n c e rp r o v i d e sa u s e f u lr e f e r e n c e i naw o r d ，t h e ya p p e a rt ob eau s e f u lt o o lt od i s c r i m i n a t eb e t w e e nm a l i g n a n tl e s i o n sa n dn o r m a lm u c o s ao ft h e g a s t r i ct i s s u ei nac l i n i c a ls e t t i n g c o n c l u s i o nc a nb ea p p l i e dt or a p i d ，l o w - c o s ta n dn o n i n v a s i v eo p t i c a lb i o p s yf o r g a s t r i cc a n c e ra n dp r o v i d e sau s e f u lr e f e r e n c ef o re a r l yd i a g n o s i s o f g a s t r i ct u m o rt r e a t m e n t k e yw o r d s ：t i s s u eo p t i c s ；g a s t r i cc a n c e rd i a g n o s i s ；d i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r a ；d i f f u s er e f l e c t a n c e i n t e n s i t yr a t i or 5 4 0 5 7 5 ；k - ms p e c t r a lf u n c t i o n ；o c t ；o p t i c a lc l e a r i n ga g e n t i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1 i 目录i l i 第一章前言1 1 1 课题背景l 1 2 漫反射光谱和o c t 成像技术在组织光学中的发展以及国内外研究状况2 1 3 选题意义6 第二章 光与组织的相互作用9 2 1组织对光的反射1 0 2 2 组织对光的散射一l l 2 3组织对光的吸收1 2 第三章漫反射光谱测量的理论基础及方法1 4 3 1漫射近似理论14 3 2漫射近似方程14 3 3边界条件_ l6 3 4生物组织漫射近似方程的解j ：17 第四章 o c t 成像原理及成像系统构成分析。2 l 4 1o c t 成像原理2 l 4 2 超外差法测量2 3 4 3光学延迟线_ 2 5 4 4 o c t 系统构成及工作原理2 9 第五章反射光谱技术对胃癌早期诊断的研究3l 5 1弓i 言：3 1 5 2 采用漫反射光谱比率1 1 5 4 0 1 1 5 7 5 检测人体胃癌的研究3 2 5 2 1 实验材料和方法3 2 5 211材料3 2 5 2 1 2 方法3 2 5 2 1 3 统计方法3 3 5 2 2 实验结果3 3 5 2 3讨论及结论3 5 5 3 采用k - m 光谱函数检测人胃癌的研究3 7 5 3 1 实验材料和方法3 7 5 31l 材料3 7 5 312 方法3 7 5 3 1 3 统计方法。3 7 5 3 2 结果及讨论3 7 5 3 3结论4 4 第六章 光透明剂在o c t 探测人体胃癌成像的研究4 6 6 1 弓i 言4 6 6 2 实验材料和方法4 7 i 目录 6 2 1材料4 7 6 2 2方法4 7 6 2 3 统计方法4 8 6 3 结果及讨论4 8 6 4结论5 5 第七章o c t 对正常胃腺组织和胃腺癌组织的热作用的探究5 6 7 1 引言5 6 7 2 实验材料和方法5 7 7 2 1 材料5 7 7 2 2 方法。5 7 7 2 3 统计方法5 8 7 3 结果及讨论5 8 7 4 结论6 2 参考文献6 3 论文发表7 0 致谢7 1 i v 前吉 第一章前言 的光子技术的介入，生物医学光子学进入了一个迅速发展的新阶段。与 击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，更为 法。在某些领域，如眼科、胃肠道等人体组织，光学和激光技术已成熟 胃癌是常见的恶性消化道癌肿瘤之一，在世界上其死亡率一直位居世界前几位。近年来我 国胃癌病例以进展期为主，约占9 0 ，而早期胃癌诊断率仅为1 0 左右【1 2 】。临床上胃镜检查 结合粘膜活检是目前胃癌检测最可靠的诊断手段，但由于胃镜检测是基于对胃粘膜层的总体 结构和形态的改变，依靠医生肉眼识别，存在着一定的误诊率【3 ，4 l 。因此，胃癌早期诊断的研 究，对于提高早期病人的诊断率以及提高胃癌患者的存活率具有极为重要的意义。寻找一种 无创伤性的、理想的、快速的、准确的光学检测法鉴别诊断胃肿瘤，一直是临床应用基础研 究的热点。从组织光学的角度来看，生物组织可以被看作是光学混浊介质【5 l ，光在生物组织 中的传输是一个很复杂的过程，它既被反射、散射又被吸收。而且生物组织又是非均匀分布 的，不同部位的反射、散射和吸收各不相同。生物体的生理特性变化或癌变等组织特性的变 化都会导致生物组织光学特性的变化。随着激光应用于生物医学领域中的不断深入和发展， 激光光谱以其极高的时间分辨率、灵敏度、精确度以及安全、快速等特点获得广泛关注。如 荧光光谱，漫反射光谱，拉曼光谱以及红外光谱等都为胃肿瘤的诊断和治疗提供了强有力的 诊断手段 5 - 1 2 j 。其中漫反射光谱以其低成本、快速、非入侵的优点为诊断人体器官组织的恶 性损伤提供了极其有利的重要手段f 佗j5 1 。因此可以根据组织的漫反射光来检测组织成分和结 构的变化，如血液中血糖、血氧浓度的变化l m l ，组织细胞的大小和组成的变化( 是早期癌 变诊断的依据) 1 8 - 2 0 等，为临床提供方便可靠的生理参数指标。 o c t 是近年来发展较快的一种新型成像技术，对生物组织内部的微观结构进行横断面层析 成像，具有快速、非侵入和高分辨率等特点，对在体生物组织的微观结构分析和疾病诊断等 方面都具有重要的应用价值【2 0 1 。相比较传统的内窥镜检测技术，o c t 技术对人体内组织的 管壁粘膜层和粘膜下层的微结构及其变化的成像提高了成像的深度和图像对比度。但是由于 人体胃肠道组织的高散射特性限制了光在组织的穿透深度，从而降低了组织的成像深度和对 前言 比度，严重影响该技术在临床中的应用。基于t u c h i n 等提出的组织光学特性参数的控制而发 展起来的光透明技术为本领域的发展带来了新的活力，并成为人们关注的热点之一。它通过 向生物组织内引入高折射率( 约为1 4 7 ) 的生物相容性的光透明剂来提高组织中的折射率匹 配度从而减少组织的散射性，增加成像深度和提高图像的对比度【3 1 3 3 1 。目前利用不同光透明 剂对不同组织开展了广泛的研究，尤其是利用甘油、丙二醇和葡萄糖等光透明剂对位于人体 内部组织的研究【3 4 3 9 1 ，使在生物组织的微结构分析和疾病诊断等方面有重要的应用。 1 2 漫反射光谱和o c t 成像技术在组织光学中的发展以及国内外研究状况 基于光学技术的生物组织的诊断和检测技术逐渐广泛地应用于临床医学，而其中光与生物 的相互作用规律是光医学诊断的基础和前提。生物组织的一些生理特性，如血糖、血氧和肌 氧的含量、动脉硬化、癌变均与组织的光学参数密切相关【4 0 1 。生物组织的光学特性参数是一 个十分重要的物理量。而且在激光治疗中决定所使用的光剂量，也首先必须了解组织的光学 特性参数生物组织的光学特性。同时光在组织中的传输，也是医学光谱和成像诊断的基础。 所以，组织光学的发展以及它在生物医学成像技术，无损伤诊疗技术，激光医学的剂量学研 究方面的应用，是近几年来国内外研究的热点【4 h 3 1 。描述组织光学特性的参数有吸收系数“。、 散射系数p 。、散射各向异性因子g 和折射率n o 。p 。和( ( 单位为m m - 1 分别表示组织中光子 路径长度增量d z 内吸收和散射所导致的辐射能量损失速率，表述为d d z 。组织中的吸收源 于自然生色团如血红蛋白、肌红、蛋白中的血红素和胆红素，线粒体呼吸链中的细胞色素、 黑色素。以及光动力治疗中所引入的外源性生色团如光敏染料等。组织对光子的散射源于折 射率的不连续性。生物组织为一种典型的混沌介质，l - h = 时弘。表示总的作用系数。平均自 由程( m e a nf r e ep a t h ) m f p = l 饥，为每次散射或吸收事件发生前光子历经的平均距离，一般为 1 0 - 1 0 0 “鹏尽管其平均自由程较小，但在组织中的注入还是比较深的，其原因一是所发生 的相互作用大部分为散射事件而不是吸收，二是散射的高度前向特性，因此光子尽管经历了 多次散射，仍能继续在组织中深入。散射作用可以用散射角分布s ( 0 ) 来表征，其中h 为单次散 射事件发生后光子的偏折角。在大多数情况下，对s ( 0 ) 的详细描述并不重要，通常用各向异性 因子g = 来代替，它表示散射角的平均余弦值。在6 0 0 - - 1 3 0 0n r l l 波段，大多数生物组织 的典型g 值为o 1 8 - - 0 1 9 5 1 4 4 , 4 5 1 。除在光通量空间分布变化很大的、靠近边界和源的区域外，一 2 2 ( ( 1 - g ) 。 ) 来表述。 混沌介质内光的空间分布既依赖于介质的光学特性和结构1 4 6 l ，又与辐照光束的入射角度 和光束直径有关。大直径光束垂直入射到半无限的介质样品时，在远离边界处，光通量沿中心 轴向注入深度呈指数衰减。在入射表面下深度z ( z 6 ) 处， ( z ) = o ke x p ( 一z 万) ，、 j 厶， 其中o 为辐照度( w c m 2 ) ，k 是无量纲系数，大小取决于后向散射，注入深度6 表示通量减小 1 e 时光子传播的深度值。 光学技术中光谱技术在医学中的应用，如荧光光谱、拉曼光谱和近红外光谱等【4 7 拼j j 都对 肿瘤的诊断和治疗提供了强有力的手段。研究表明，约8 5 癌变部位都是起源于人体组织中 的黏膜和黏膜下层约5 0 0p m 范围内，大多数这些上皮内层组织的损伤如果能在早期得以确诊 是容易治疗的。癌早期病变多发生在黏膜层，然后向黏膜下层及更深层组织乃致浆膜层入侵。 研究表明，胃组织上皮内层、黏膜和黏膜下层组织的损伤常常是导致胃癌病变的原因。组织 表面漫反射光( 指经组织内部散射，再由组织表面透射出的光) 是组织自身固有的吸收和散射 之间相互作用的结果，主要取决于组织的光学性质。通过测量生物组织的漫反射光谱来确定 组织的光学特性是当前活体组织光学特性无损测量中的研究热点【5 “5 1 。生物组织的无损光学 法测量就是通过测量组织表面的漫反射光分布，当光束入射到组织时，在组织内不断地被散 射和吸收。从组织内部逸出表面的漫反射光谱携带了组织内部的组份和结构等信息。近十几 年来，一些学者对人体组织反射光谱的测量也做了大量的研究， 在国外，早在1 9 9 5 年l o t r i e t 等1 6 6 l 就采用双光束分光光度计获取动脉粥样硬化斑块和正常动脉组织2 5 0 - - - 8 0 0n n l 波长范围 内的漫反射光谱来区分正常的动脉组织和动脉粥样硬化斑块。实验结果显示在紫外区尤其在 3 1 5 和4 0 0n n l 处入侵感染的和j 下常的动脉组织的漫反射光谱呈现显著性差异，这些差异性可以 作为鉴定、识别正常的动脉组织和动脉粥样硬化的一个标准，同时对利用激光血管成形术切 除动脉粥样硬化有着重要的临床应用。1 9 9 9 年m a l i n 等【6 7 】利用1 0 2 5 - - 2 4 5 0a m 波长范围内的近 红外漫反射光谱非入侵监测糖尿病患者和非糖尿病患者的血糖浓度，实验结果显示出近红外 3 前言 漫反射光谱非入侵监测血糖浓度的可行性，同时大量的实验证明此方法可以用作糖尿病患者 长期的家庭监测手段。g h o s h 等【6 8 1 通过测量组织表面漫射光分布确定了正常和癌变乳腺组织 的光学特性参数，发现癌变组织的散射和吸收系数均大于正常组织的散射和吸收系数，并且 通过各向异性因子的测量，估算出在癌变组织中等效的米氏散射粒子直径大于正常组织的等 效直径。显示了该方法在临床应用中的潜力。p a l m e r 等【6 9 】采用漫反射光谱结合荧光谱光谱诊 断人体乳腺癌，研究结果发现乳腺癌组织在紫外可见光区域由于氧合和去氧血红蛋白、蛋白 质、d n a 和1 3 胡萝卜素等主要吸收成分的影响显示出显著的差异性。这个技术为快速、精度 的乳腺癌诊断提供有效的诊断工具。m a r t i n 等【7 0 】采用一种光纤仪器对支气管恶性损伤同时进 行漫反射光谱( d r s ) 、自发荧光光谱( a f s ) 以及差分路径长度谱( d p s ) 的测量，并比较 了运用它们来区分恶性和非恶性器官病变的度和明确度，分别是8 6 8 1 ，7 3 8 2 和 8 1 8 8 。从中何以看出漫反射光谱在结合支气管镜检查支气管恶性损伤中呈现较优越的临 床鉴别诊断性。s a n g h o o n 等 7 l j 采用时域的漫反射光谱对小儿癫痫脑损伤进行在体研究，并在 手术过程与正常的脑组织进行对照，得到小儿癫痫脑损伤皮层组织的血容量和血液含氧量存 在不同步的动态变化特征。实验结果显示采用时域的漫反射光谱对小儿癫痫脑损伤进行在体 研究具有显著的优势。 在国内，有些研究小组已开展过光谱技术在生物组织的应用，但是很少对胃癌进行过反射 光谱检测的报道。骆清铭等【7 2 】对激光作用下生物组织漫反射光谱及其与组织光学特性参数之 间的关系进行了深入研究，重点讨论了稳态情况下总漫反射率及其径向分布与组织光学特性 参数的关系。并且在建立时间分辨测量的理论模型的基础上大量研究了不同类型、不同生理 状态的生物组织的光学特性参数。结果对于组织诊断光谱学是否能临床应用具有极其重要的 影响。 魏华江等【7 3 】采用带积分球附件的分光光度计获取组织在5 4 0 和5 7 5n n l 氧合血红蛋白吸 收带的漫反射光谱比率( r 5 4 0 r 5 7 5 ) 对人浅表性膀胱癌进行了鉴别诊断，结果表明正常膀胱 与浅表性膀胱癌的粘膜粘膜下层组织在组织离体后2 ，3 ，4 和5h 的漫反射光谱比率 ( r 5 4 0 r 5 7 5 ) 均有显著性的差异，这结论为快速、低成本、非入侵的浅表性膀胱癌的光活检 提供了一种新的方法。同时还研究了多种人体组织的光学性质，结果表明癌变组织与健康组 织的光学特性存在明显的差别，为癌诊的早期光学诊断提供了有用的数据。刘勇等1 7 4 】利用光 纤光谱仪建立了一套简便的组织在体漫反射光谱检测装置，并获得了来自j 下常胃组织和癌变 4 前言 胃组织的漫反射光谱。实验结果表明：癌变和j 下常胃组织的漫反射光谱在可见光区域有明显差 别，特别是在波长为5 0 0 和6 3 0n l n 处，这些结果说明漫反射光谱检测装置可用于胃癌的辅助 检测。徐可欣等 7 5 , 7 6 】通过测量人体手指的漫反射近红外光谱法测量人体血红蛋白浓度、血糖 浓度。其实验结果和方法具有一定的实用性和可行性。从已有的研究成果看，反射光谱特别 是可见光反射光谱对诊断粘膜病变具有一定的优势。测量组织表面的漫反射率是组织光学特 性非入侵法测量的一个非常关键的问题和生物医学光子学的热点课题。 随着这些学科的发展，特别电子技术改进、激光的诞生以及计算机的突飞猛进的发展以 及结合现代光学、电磁学、声学等理论，解决了很多以前都无法解决的生物医学难题，尤其 是在生物医学的检测方面，出现了很多种医学成像技术，如x 射线计算机断层成像( x r a y c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，x c t ) m7 引、超声波成像( u h r a s o n o 掣a p h y ，u s ) 7 9 - 8 1 】、核磁共振成像 ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) t 8 2 8 3 1 ，正电子发射层析成像( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ， p e t ) 【8 4 8 5 】等，己在医学领域中得到了广泛的应用，成为现代医学诊断技术的一个显著标志， 为医学的发展起了推动性的作用。但为了使各种诊断达到更精确、更客观化，需要不同的检 测手段从不同的侧面提供反映人体组织特定参数的医学图像来描述组织生物变化的多层面相 互补充的医学信息。新近发展起来的o c t 技术以其成像快速、非侵入、高分辨率等优良特性 对生物组织研究及临床应用均具有重要价值。o c t 禾u 用宽带光源的短程相干特性对活体组织 内部结构断层成像，o c t 系统一般由低相干光源( s l d 或超快激光器) a n 迈克尔逊光纤干涉仪组 成。o c t 是结合了空间门、相干门及其他形式的门技术。目i 瓠f o c t 可探测深度由几个毫米到 厘米量级，空间分辨率达到2 2 0m m 。自1 9 9 1 年h u a n g 8 6j 利用o c t 获得视网膜和动脉壁的显 微结构开始，o c t 在十年之间飞速发展。基于原有o c t 原理，已开发出反映组织不同特征信 息的多种成像模式。目前眼科o c t 渐趋于成熟，已有产品应用于临床，其他领域的研究也在 深入开展。s c h m i t t ，b o n n e r 等【8 7 l 提出用o c t 技术测量组织的光学参数，通过生物组织背向 散射光强度与深度的关系曲线来确定组织的光学特性参数。x i e 等1 8 8 l 利用o c t 成像技术探测膀 胱肿瘤的光学特性，他们模拟了组织中必然存在的后向散射的变化和o c t 成像对比度的变化 并获取了正常的、膀胱增生、异性增生和肿瘤组织的膀胱上皮，粘膜下层和上层肌肉的厚度 和光学特性。并且不同的组织样品之间都具有显著性的差异，实验结果表明根据膀胱上皮厚 度的差异性和散射光学特性的差异性对区分膀胱增生和膀胱肿瘤具有一定显著的能力。w a n g 等【8 9 j 利用8 0 浓度的丙二醇作用于胃肠道组织来提高o c t 成像的对比度和成像深度。实验结 前言 果发现经过8 0 丙二醇作为光透明剂来处理后的胃肠道组织相对于无任何处理的胃肠道组织 的o c t 成像能够获取更清晰的基底的位置和黏膜层的细胞组成。相对于传统的o c t 成像诊段， 利用丙二醇作为光透明剂来作用组织表面能够获取更高的成像深度和对比度，大大提高人体 胃肠道疾病在体快速检测。国内也从九十年代中期开始关注o c t 技术，姚建铨等阮9 1 】利用蒙 特卡洛模拟研究o c t 的图像对比度，探究t o c t 成像深度，图像清晰度，图像散斑，还提出 一种高速o c t 成像技术将传统的点聚焦成像模式改变为线聚焦成像模式，从而提高o c t 图 像的扫描速度，达到高速o c t 系统成像的目的。郭周义等【9 2 - 9 4 n 用o c t 对中医的舌诊，各种 溃疡组织的愈合过程以及表皮和真皮的超微结构进行了深入的研究，结果表明相对于传统的 诊断方法，o c t 成像技术对中医学研究以及传统的活体组织病理学观察手段诊断皮肤疾病具 有较高的优越性。 综上所述生物组织漫反射诊断及o c t 成像技术无损测量无论从理论上还是实验上均处于 研究阶段，国际上从理论上、实验上都做了大量的工作，国内在这方面从理论上做的工作比 较多，实验上也做了大量的工作，研究水平接近国际水平。不过有关人体内部组织器官组织 的在体无损的漫反射诊断及o c t 成像技术的知识还很缺乏，特别是活体状态下的组织。因此 对该领域的探讨，还需要付出很大的努力。 1 3 选题意义 胃癌是常见的恶性消化道癌肿瘤之一，在世界上其死亡率位一直居世界前几位。近年来我 国胃癌病例以进展期为主，约占9 0 ，并且早期胃癌诊断率仅为1 0 左右 9 5 , 9 6 】。临床上胃镜 检测结合粘膜活检是目前胃癌检查最可靠的诊断手段，但由于胃镜检测是基于对胃粘膜层的 总体结构和形态的改变，依靠医生肉眼识别，存在着一定的误诊率【9 7 , 9 8 】。因此，胃癌的早期 诊断的研究，对于提高早期病人的诊断率以及提高胃癌患者的存活率具有极为重要的意义。 胃癌的早期诊断并寻找一种无创伤性的理想、快速、准确的光学检测法鉴别诊断胃肿瘤，一 直是临床应用基础研究的热点。随着激光应用于生物医学领域中的不断深入和发展，激光光 谱以其极高的时间分辨率、灵敏度、精确度以及安全、快速等特点获得广泛关注。如荧光光 谱，漫反射光谱，拉曼光谱以及红外光谱等都为胃肿瘤的诊断和治疗提供了强有力的诊断手 段。其中漫反射光谱以其低成本、快速、非入侵的优点为诊断人体器官组织粘膜的恶性损伤 提供了极其有利的重要手段。 6 前言 另外，o c t 是近年来发展较快的一种新型成像技术，对生物组织内部的微观结构进行高 分辨率的横断面层析成像，具有快速、非侵入及高分辨率等特点，对在体生物组织的微观结 构分析和疾病诊断等方面具有重要的应用价值。相比较传统的内窥镜检测技术，o c t 技术对 人体内组织的管壁粘膜层和粘膜下层的微结构及其变化的成像提高了成像的深度和图像对比 度。但是由于人体胃肠道组织的高散射特性限制了光在组织的穿透深度，从而降低了组织的 成像深度和对比度，严重影响该技术在临床中的应用。基于t u c h i n 等提出的组织光学特性参 数的控制而发展起来的光透明技术为本领域的发展带来了新的活力，并成为人们关注的热点 之一。它通过向生物组织内引入高折射率( 约为1 4 7 左右) 的生物相容性的光透明剂来提高 组织中的折射率匹配度1 9 9 ，1 0 0 1 从而减少组织的散射性，增加成像深度和提高图像的对比度。目 前利用不同光透明剂对不同组织开展了广泛的研究，尤其是位于体表的皮肤组织。其用于皮 肤光透明作用研究的光透明剂主要有甘油、葡萄糖、二甲亚砜( d m s o ) 1 0 1 - 1 0 5 】等，而对于人 体的内部组织的光透明作用研究主要有甘油、丙二醇和葡萄糖等，其中甘油主要采用 8 0 1 1 0 0 9 1 。而很少研究探究不同浓度和不同的作用时间来最大限度的提高o c t 技术在体胃组 织的微观结构成像的深度和图像对比度。本研究对寻找一种无创伤性的理想、快速、准确的 光学成像鉴别诊断有一定的应用参考价值。 其次，l i t t 是一种可使局部生物组织凝结坏死的新型肿瘤治疗技术，激光对病变组织的 热凝固疗法已经广泛应用于临床。该方法与传统的外科手术相比，很少发生大量出血现象， 因此被用于临床治疗肝脏、乳腺、前列腺、胃肠道等各部位的肿瘤。然而，激光对生物组织 的热作用会导致组织特性的变化。热损伤所导致的光学特性参数的变化、激光作用过程中的 组织内热源分布改变和血液灌注率对损伤及温度的依赖性等等，从而影响组织的温升及热损 伤。精确地知道特定目标组织体内的温度分布以及热造成的损伤，对于控制肿瘤破坏以及确 保周围组织安全和治疗效果是至关重要的。在过去的一些年里，国内外对生物组织的热作用 光学特性参数的变化作了广泛的研究，但是他们研究都是从光谱及光学特性参数测量的角度 展丌的。但是很少报道采用快速、非侵入及高分辨率等特点o c t 技术对热损伤所导致的光学 特性的变化进行研究，如衰减系数以及对温度的依赖性。本研究通过对不同温度热作用处理 下于常胃组织和胃腺癌组织的o c t 层析成像以及信号衰减