红外光谱技术在医学中的应用

系统回顾了过去50余年中红外光谱技术的发展创新及在生物医学领域中的研究应用。傅里叶变换红外光谱技术已从对单个细胞水平结构构成与形态的研究进展到组织水平。现代红外光谱技术联合成熟的模式识别技术与组织微阵列技术,为平行大规模测定分子结构提供了可能。此外,红外光谱技术的临床应用为良恶性肿瘤的判别提供了可信的参考依据,并可准确判别甲状腺、乳腺、胃肠道及腮腺等组织的良恶性,具有极广泛的应用前景。     

健康人体乳腺傅里叶变换红外光谱特征参数分析

通过应用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的中红外光导纤维并联合衰减全反射探头(ATR)对招募的200名女性健康志愿者的右侧乳腺外上限部位皮肤进行扫描采集相应的傅里叶变换红外光谱,由此共获取200条正常人体乳腺的傅里叶变换红外光谱图。进一步对所得的200条正常人体乳腺傅里叶变换红外光谱图中与脱氧核糖核酸、核糖核酸、蛋白质、脂类、糖类等生物化学成分相关的12条特征谱带进行分析研究,并对这些特征谱带的峰位(P)、峰强(I)、半高宽(F)等36个特征性红外光谱参数进行统计学分析,同时计算相应特征红外光谱参数的90%正常参考值范围、均值、标准差等数值。研究结果首次对正常人体乳腺傅里叶变换红外光谱图相关特征光谱参数的数据建立了正常参考范围,同时为傅里叶变换红外光谱技术进一步实现其在乳腺良恶性疾病诊断方面无创、快速、高效的特有临床应用价值提供相应的理论依据。     

SIMCA法在中红外癌症检测技术中的应用

人体肿瘤的中红外光谱法早期检测是生物医学领域的前沿课题之一。研究了中红外FTIR光谱技术与化学计量方法 (模式识别技术 )相结合对人体恶性肿瘤进行检测的方法 ,并讨论了如何通过采用光谱预处理方法以及波长范围的选择来提高模式识别技术 (SIMCA法 )分类判别效果。研究了 6 3个胃癌病人的癌变组织和癌旁正常组织光谱 ,选择有代表性的 4 0个样品作为训练集 ,剩余的 2 3个样品作为预测集 ,该方法的准确率为 91%。这一研究结果表明傅里叶变换红外光谱法与化学计量学方法相结合可以对良、恶性组织进行鉴别诊断 ,有希望发展成为一种肿瘤快速诊断的新方法。     

傅里叶变换红外光谱法研究肺组织切片

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪并借助OMNI采样器直接、快速地测定了正常肺组织及肺癌组织的红外光谱,通过研究表明,正常肺组织与肺癌组织样品的红外光谱在峰位、峰强及峰形等方面均存在明显而有规律的红外光谱差异,这反映了组织中的蛋白质、核酸和脂类等生物分子在不同性质的组织中含量上的差异。研究表明,FTIR可从分子水平上揭示正常肺组织和肺癌组织的特性,能对正常肺组织和肺癌组织的良、恶性的鉴别提供丰富而可靠的结构信息。     

中红外光纤技术用于腮腺肿瘤诊断的研究

采用傅里叶变换红外光谱法与中红外光导纤维联用技术对１１例肿瘤，７例正常腮腺和１例舍格伦综合症的红外光谱进行了对比研究。结果发现正常腮腺和舍格伦综合症的红外光谱很相似，而与肿瘤的光谱存在着明显差别，同时也观察到良性与恶性肿瘤的光谱在若干波段处也有所不同．     

CaS∶Eu,Sm红外上转换薄膜光谱性能分析

为研究红外上转换材料CaS∶Eu,Sm的光谱性能,搭建了实验平台,对其荧光谱、红外激励发光谱(上转换发光谱)、红外激励谱、荧光余辉衰减曲线、红外激励发光衰减曲线进行了测试.实验结果表明:CaS∶Eu,Sm可被450~550nm的光激发,荧光激发波峰位于470nm,红外响应波段为800~1 600nm,红外激励波峰为1 200nm.     

甲状腺癌的傅里叶变换红外光谱研究

应用傅里叶变换红外光谱仪,测定了17例甲状腺癌和23例良性甲状腺疾病术中新鲜离体组织的红外光谱。通过用统计学方法对比分析,发现甲状腺良恶性组织的傅里叶红外光谱之间存在明显差异,其中恶性肿瘤光谱有以下特征：(1)甲状腺癌组织的酰胺Ⅰ带明显红移(P<0.01),酰胺Ⅱ带却出现蓝移(P<0.05),癌组织光谱中I_{1 640}/I_{1 460}和I_{1 640}/I_{1 550}较良性组织明显升高(P<0.01),说明恶性肿瘤不仅蛋白质结构上发生了变化,蛋白质的量化上也有明显变化;(2)与脂类相关的2 955, 2 920, 2 870, 2 850和1 740 cm-1谱带出现概率明显变低,表明癌组织的脂类相对含量降低;(3)与核酸相关的1 241 cm-1谱带明显蓝移至(1 238.29±2.87)cm-1 ,I_{1 080}/I_{1 460}较良性肿物组织有升高(P<0.05),表明癌组织中磷酸二酯基团中PO₂增加,因为在癌细胞分裂增生加快,细胞核内DNA含量增加。研究结果表明,红外光谱有望成为术中快速诊断甲状腺恶性肿瘤的主要方法。     

面阵探测下的污染云团红外光谱仿真

研究污染云团的红外光谱仿真,对于利用仿真光谱进行光谱识别的算法研究十分重要.在单元探测器探测方式下污染云团的红外光谱仿真研究取得了一定成果,并且已经被应用于识别算法的研究工作中.针对基于成像光谱仪的污染云团识别算法研究缺乏实测数据的问题,利用具有高仿真精度的基于物理模型的污染云团扩散模型及其仿真结果网格化的特点,研究相应的云团红外光谱仿真多层模型,提出了面阵探测方式下污染云团红外光谱的仿真方法,生成了同时具有光谱维和空间维信息的数据立方体,为该研究领域提供了新的研究方法.提出的面阵探测方式下的污染云团红外光谱仿真直观地反映了污染云团的扩散,提供了完备且符合实际情况的污染云团红外光谱立方体数据,对于提高和完善红外光谱识别算法具有重要意义.     

乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱研究

使用REMSHAW显微共焦拉曼光谱仪测量了40例手术切除乳腺肿瘤周边(肿块边约5 mm)组织的拉曼光谱.通过对浸润性导管癌、乳腺增生、纤维腺瘤等乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱分析,发现不同乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱有显著差异.这些差异在肿瘤诊断中,可作为乳腺癌和其他乳腺肿瘤拉曼光谱的特征,为乳腺疾病诊断提供依据.乳腺肿瘤周边组织的拉曼光谱对乳腺肿瘤诊断具有重要的价值.     

非线性超声射频信号熵对乳腺结节良恶性的定征

本文提出了一种基于非线性超声射频(radio frequency, RF)信号熵对乳腺结节良恶性进行定征的方法.对306例乳腺结节样本(良性158例,恶性148例)提取了基于超声RF信号二次谐波的熵和加权熵,以及常规超声参数(图像灰度、纵横比、不规则度、乳腺结节大小、深度);采用t检验和线性分类器检测参数对乳腺结节良恶性的区分度;进一步将有效参数组合输入支持向量机对乳腺结节良恶性进行分类.结果表明:除图像灰度外,其余参数均在乳腺结节的良性与恶性间有显著差异.多参数结合输入支持向量机的良恶性分类的准确率、敏感性和特异性分别为81.4%, 78.4%和84.2%.本文工作表明非线性超声RF信号的熵可有效地定征乳腺结节的良恶性,有望成为乳腺结节良恶性定征新参量.     

人乳腺癌组织的显微拉曼光谱研究

研究了人类正常与癌变乳腺组织的显微拉曼光谱特性。与正常乳腺组织相比,癌变组织的核酸骨架磷酸离子vs(PO^-2)特征谱线由1082移到1097cm^-1、强度加强,位于817cm^-1的RNA主链vs(O-P-O)的谱线强度增加;蛋白质酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ两个特征谱带从1657,1273cm^-1分别位移到1662和1264cm^-1,其中1264cm^-1谱线的宽度和强度均增加,某些氨基酸残基的C—O谱线向高波数位移,色氨酸特征峰1368cm^-1在癌变组织中几乎观察不到;脂类特征谱线减少。上述谱线变化表明,癌变组织中核酸的相对含量增加、主链结构发生变化;蛋白质结构同时呈现α-螺旋、无规卷曲、卢．折叠以及β-回折4种构象特征,其分子间的氢键近乎断裂,蛋白质变得松散和无序,色氨酸残基的吲哚环呈现“暴露式”;脂类含量减少。研究表明,显微拉曼光谱可以为乳腺癌变的生化机理研究以及活体诊断提供有力的实验依据。     

乳腺癌组织中蛋白质与核酸分子氢键特征的研究

正常乳腺组织与乳腺癌组织的红外光谱之间存在明显而规律的差异,其中包括蛋白质与核酸等生物分子的氢键缔合方式和程度上的不同。光谱的变化主要表现在：（1）蛋白质的酰胺Ⅰ带,N－H基团和某些氨基酸残基上C－O（H）基团的振动谱带;（2）核酸分子中磷酸二酯的反对称伸缩振动谱带和配对的碱基N－H基团振动等谱带上。氢键是维系和促进蛋白质与核酸高级结构形成的重要作用力,癌变时氢键的变化与癌细胞的特殊生物学行为密切相关,因此有可能利用氢键的这些光谱特征作为乳腺癌诊断和预测癌变可能性的指标。     

Diffuse optical measurement of blood flow in breast tumors

Blood flow contrast between tumor and normal tissues in patients with malignant and benign breast cancer was measured by diffuse optical correlation methods. The measurements were carried out with a hand-held optical probe that was manually scanned over the tumor-bearing breast. Increased blood flow was observed in tumor regions relative to healthy tissue, and control subjects did not exhibit significant blood flow heterogeneity. The measurements introduce a new optical contrast for diffuse optical mammography.     

圆二色谱表征芥蓝抗坏血酸过氧化物酶变性过程中的结构变化

圆二色谱(CD)是一种特殊的吸收光谱,蛋白质的二级结构如α-螺旋、β-折叠、β-转角在远紫外区(190～250 nm)都具有特征性的CD图谱。为了了解芥蓝抗坏血酸过氧化物酶(BaAPX)在变性过程中活性变化和结构变化的关系,动态监测了不同时间、温度及浓度条件下BaAPX的比酶活及远紫外CD图谱,并利用CD分析软件Dichroweb计算了BaAPX中四种二级结构的百分含量。结果表明：BaAPX属于全α型蛋白,α-螺旋的百分含量与比酶活之间存在比较明显的正相关关系。在低浓度低温的变性过程中,BaAPX发生了初始态(N态)→α-螺旋最少态(R态)一步结构变化;在高浓度低温的变性过程中,BaAPX发生了N态→平衡态(T态)一步结构变化;在热处理后低温复性的变性过程中,BaAPX发生了N态→R态→T态两步结构变化。     

Imaging of human breast tissue using polarization sensitive optical coherence tomography

We report a study on the use of polarization sensitive optical coherence tomography (PSOCT) for discriminating malignant (invasive ductal carcinoma), benign (fibroadenoma) and normal (adipocytes) breast tissue sites. The results show that while conventional OCT, that utilizes only the intensity of light back-scattered from tissue microstructures, is able to discriminate breast tissues as normal (adipocytes) and abnormal (malignant and benign) tissues, PS-OCT helps in discriminating between malignant and benign tissue sites also. The estimated values of birefringence obtained from the PSOCT imaging show that benign breast tissue samples have significantly higher birefringence as compared to the malignant tissue samples.     

Infrared spectra of thyroid tumor tissues

We used infrared spectroscopy methods to study thyroid tumor tissues removed during surgery. The IR spectra of the surgical material are compared with data from histological examination. We show that in malignant neoplasms, the spectra of proteins in the region of C=O vibrations are different from the spectra of these substances in benign tumors and in tissues outside the pathological focus at a distance >1 cm from the margin of the tumor. The differences in the spectra are due to changes in the supermolecular structure of the proteins, resulting from rearrangement of the system of hydrogen bonds. We identify the spectral signs of malignant pathologies.     

乳腺癌病人单个细胞的Raman光谱

给出了乳腺癌病人正常乳腺细胞与癌细胞的拉曼光谱。从实验谱线中得到：癌变细胞的拉曼谱整体变弱, 就相对强度而言, DNA的2个磷酸根骨架峰782,1 084 cm-1和脱氧核糖-磷酸振动峰1 155及1 262 cm-1拉曼谱线明显的减少; 表征A型(DNA)构像的特征峰812 cm-1及谱线979,668 cm-1消失, 并有新峰1 175 cm-1出现, 905 cm-1的谱线增强并有6 cm-1的红移, 这说明DNA的磷酸根骨架有一定的断裂; 从而导致癌细胞的分裂繁殖失去有效的控制。在癌变组织细胞的拉曼谱中还发现了很强的一类与钙硬化密切相关的特征峰960 cm-1; 通过这些特征拉曼谱线的变化, 为癌症的诊断和治疗提供了有力的实验依据。     

IR spectroscopic methods for diagnosis of oncological pathologies in human tissues (Review)

Modern problems in the diagnosis of oncological pathologies using spectroscopic methods of analysis are considered. Fourier-transform IR spectroscopy methods are illustrated by investigation of tissues of breast, thyroid gland, stomach, kidney, lung, and skin excised during surgical intervention. IR spectra of surgical material are compared with data of histological analysis. Spectra of proteins and lipids in malignant neoplasms differ from those in benign tumors and in tissues beyond the pathological focus. Differences in protein spectra are attributed to changes in the supramolecular structure due to cleavage of intramolecular C=OH–N hydrogen bonds. Differences in IR spectra of lipids in neoplasms, when compared with those in normal tissues, are caused by changes in the structure of side chains of fatty-acid radicals appearing in malignant tumors. Spectral signatures of malignant pathology are revealed.     

良性与恶性多形性腺瘤组织结构的FTIR光谱研究

结合口腔医院临床需要,利用PE公司的Spectrum GX傅里叶变换红外光谱仪,通过对5例良性、4例恶性多形性腺瘤组织的FTIR光谱测试、计算与分析,进行了多形性腺瘤组织结构的FTIR光谱对比研究。测试结果表明： (1)同种性质组织的FTIR光谱表现出了良好的一致性,揭示了吸收峰体现了生物组织的特征红外谱;(2)良性与恶性瘤的FTIR吸收峰峰位及其强度有若干处不同,揭示了恶性肿瘤中蛋白质的酰胺Ⅱ带氢键化程度降低,而脂类的氢键化程度提高;(3)峰高比计算结果表明,良性多形性腺瘤相比,恶性瘤中核酸的含量相对于胶原蛋白的含量增加,脂类的含量相对于蛋白质的含量增加。