涉及利用光纖拉曼光譜的內窺鏡進行實時癌癥診斷的方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求2012年7月2日提交的美國臨時申請61/667,384和在2013年4月 23日提交的GB申請No. 1307338. 2的權益，其兩者通過引用整體在此并入此案W供用于所 有目的之參考。
技術領域
[0002] 本公開涉及用于在內窺鏡實時癌癥診斷的在線生物光譜軟件平臺，和用于在光纖 拉曼光譜中用于定量分析的與儀器無關的測量方法。
【背景技術】
[0003] 拉曼光譜術是使用單色光的非彈性或拉曼散射的技術。傳統地，單色光源是在可 見或近紅外（"NIR")范圍中的激光。散射光子的能量響應于與在照射材料中的振動模式 或激發的相互作用，向上或向下移動，改變散射光子的波長。因此，來自散射光的光譜可提 供關于散射材料的信息。
[0004] NIR拉曼光譜術已知為用于在若干器官中體內癌前病變和癌性細胞和組織的表征 和診斷。該技術是理想的，因為它可W無創或微創，不需要活組織檢查或組織的其它去除。 已知的是使用在兩個波長范圍中的NIR拉曼光譜。第一個是所謂的指紋（"FP")范圍，其 中由于例如來自在用于組織表征和診斷的該光譜區域中包含的蛋白質、DNA和脂質內容的 高度特異性生物分子信息的豐富度，波長數從800到ISOOcm 4。該波長范圍的缺點在于當與 通常使用的785nm激光源一起使用時，可生成強烈的組織自發英光背景信號。此外，在探針 使用光纖時，拉曼信號從在光纖中的烙融二氧化娃散射。特別地，在電荷禪合器件（"CCD") 用于測量散射光譜時，自發英光信號可使CCD飽和并且與在該波長范圍中固有的非常弱的 拉曼信號的檢測干擾。
[0005] 采用光纖拉曼光譜術作為一種技術的另一個問題在于儀器的標準化。光纖拉曼 光譜技術已經主要限制為單個系統，并且尚未有轉用于多中也臨床試驗或常規醫療診斷中 的相關嘗試。該主要是因為拉曼光譜儀儀器通常存在差異（即光學、響應函數、對準、通量 等）并且一般產生非常不同的拉曼光譜。此外，光纖拉曼探針的使用壽命有限并且必須定 期更換或互換。不幸地，使用不同的光纖探針采集的拉曼數據無法進行比較，因為每個光 纖探針具有其本身的獨特背景，W及與不同的透射光譜特性相關聯。不同的透射特性顯著 地使光譜強度失真，使采用不同光纖探針獲得的組織拉曼光譜不可比較。因此，在主臨床 平臺上開發的多變量診斷算法不能施加到次級臨床平臺。特別地，組織拉曼強度的定量測 量是在光纖生物醫學拉曼應用中最具挑戰性的問題之一。儀器/光纖探針獨立強度校準 和標準化對于在生物醫學中光纖拉曼光譜的全球使用的實現至關重要。出于該個原因，使 用"總"探針（'master' probe)構建的多變量統計診斷模型不能施加到采用"從屬"探針 ('slave'probe)測量的光譜。為了使得拉曼技術成為用于在全球范圍的癌癥篩查的廣泛 工具，有必要將拉曼光譜儀和光纖探針該兩者進行標準化，特別是在生物醫學應用中。大多 數的報道研究已經聚焦在用于不具有光纖探針的簡單化學混合物的測量的跨拉曼光譜儀 標準化。一般簡單化學混合物的拉曼光譜不能與異種生物組織樣本的光纖拉曼光譜比較。
[0006] 采用儀器間的標準化結果的進一步問題在于與激光激發功率相關聯的光譜變化。 傳統地，拉曼光譜的標準化，其保留了通常光譜的形狀，但該消除了絕對定量光譜特性。已 知的是嘗試監測在光纖拉曼探針中傳送的激光功率，例如通過在光纖尖端中嵌入鉆石或在 激光路徑中定位聚合物蓋作為參考來進行監測。然而，該些解決方案不令人滿意，并且可能 導致在所需光譜區域中的干涉。
[0007] 在使用用于體內癌癥和癌前病變條件診斷的光學光譜技術（包括反射英光和拉 曼）中的其它問題在于數據分析大多限于后處理和離線算法開發。對于內窺鏡分析正是如 此，因為在內窺鏡期間收集的大量光譜是異常值。具有允許用于內窺鏡的實時診斷的系統 將是有用的。
【發明內容】
[0008] 根據第一方面，本發明提供了校準光纖拉曼光譜系統的方法，該系統包括激光源、 光譜儀和光纖探針，該光纖探針將光從激光源發送到目標，并將散射光返回到光譜儀；該方 法包括從激光源發送光到具有已知光譜的標準目標，記錄來自標準目標的散射光的校準光 譜，比較已知的光譜和校準系統，并且生成傳遞函數，W及存儲傳遞函數。
[0009] 本方法還可包括隨后照射測試對象、記錄光譜并且根據存儲的傳遞函數校準光譜 的步驟。
[0010] 該方法可包括記錄用于多個光纖探針的每個的記錄校準光譜，計算用于包括每個 所述探針的系統的傳遞函數，并且將傳遞函數與對應探針相關聯。
[0011] 所述光譜儀具有相關聯的光譜儀傳遞函數，所述探針可具有相關聯的探針傳遞函 數，傳遞函數可W是光譜儀傳遞函數和探針傳遞函數中的一種函數。
[0012] 該方法可包括在主光譜儀系統上計算主光纖探針的第一傳遞函數，和次級光纖探 針的第二傳遞函數，并且基于第一傳遞函數和第二傳遞函數計算（探針間）校準函數。
[0013] 該方法可包括將校準函數與次級光纖探針相關聯。
[0014] 該方法可包括在次級光譜儀系統上使用主光纖探針，生成次級系統傳遞函數，W 及存儲所述次級系統傳遞函數。
[0015] 該方法可包括使用具有次級光譜儀系統的次級光纖探針，W及根據校準函數修正 存儲的次級系統傳遞函數。
[0016] 該方法可包括根據主光譜儀系統執行次級光譜儀系統的波長軸校準的初始步驟。
[0017] 根據第二方面，本發明提供了操作拉曼光譜儀系統的方法，該系統包括激光源、光 譜儀和光纖探針，所述光纖探針將光從激光源發送到目標，并且將散射光返回到光譜儀；該 方法包括從激光源發送光到具有已知光譜的目標，記錄來自目標的散射光的光譜，W及根 據存儲的傳遞函數修正記錄光譜。
[0018] 所述存儲的傳遞函數可將光譜儀和光纖探針相關聯。
[0019] 所述存儲的傳遞函數可將光譜儀和主光纖探針相關聯，并且該方法還可包括根據 與光纖探針相關聯的存儲校準函數來修正存儲的傳遞函數。
[0020] 根據第H方面，本發明提供了一種拉曼光譜系統，其包括激光源、光譜儀和光纖探 針，W及存儲的傳遞函數；所述光纖探針將光從激光源發送到目標并且將散射光返回到光 譜儀；，該系統可操作地用于從激光源發送光到具有已知光譜的目標，記錄來自目標的散 射光的光譜，W及根據存儲的傳遞函數修正記錄光譜。
[0021] 所述存儲的傳遞函數可將光譜儀和光纖探針相關聯。
[0022] 所述存儲的傳遞函數可將光譜儀和主光纖探針相關聯，并且該方法還可包括根據 與光纖探針相關聯的存儲校準函數來修正存儲的傳遞函數。
[0023] 根據第四方面，本發明提供了估計拉曼光譜儀系統中發送的激光功率的方法，該 系統包括激光源、光譜儀和光纖探針，該光纖探針將光從激光源發送到目標，并且將散射光 返回到光譜儀；該方法包括從激光源發送光到多個目標，對于每個測試目標，測量來自激光 源的光的發送功率和在光譜儀處散射光的光譜，執行捕捉光譜的多變量分析，其中測量的 發送功率用作為因變量，，W及存儲所得的模型。
[0024] 該方法可包括如下步驟；發送激光到測試目標，向模型供應捕捉的光譜，W及計算 發送功率的估值。
[0025] 根據第五方面，本發明提供了從具有光纖探針的光纖拉曼光譜系統減去背景信號 的方法，該方法包括如下步驟：
[0026] a)存儲背景光譜，
[0027] b)接收測試光譜，
[0028] C)使用一個或多個參考峰來估計背景影響，
[0029] d)基于估計的背景影響將背景光譜與校準因子相乘，并將其從測試光譜減去，
[0030] e)檢查測試光譜余留的背景影響，W及
[003。 f)如果背景影響可忽略不計，則輸出測試光譜，否則重復步驟（C)到（e)。
[0032] 所述一個或多個參考峰可包括與光纖探針中的二氧化娃或藍寶石對應的一個或 多個峰。
[0033] 根據第六方面，本發明提供了在內窺鏡期間使用拉曼光譜用于實時診斷的計算機 實施方法。該方法包括接收與組織相關聯的至少一個光譜；在使用光譜的模型中分析至少 一個光譜W確定得分，其中所述得分指示組織是癌性的可能性；W及輸出所述得分。
[0034] 在一些實施例中，模型使用解讀函數來生成，所述解讀函數選自由偏最小二乘判 別分析、主成分分析線性判別分析、蟻群優化線性判別分析、分類和回歸樹、支持向量機和 自適應增強組成的群組。
[00巧]在一些實施例中，所述至少一個光譜由拉曼光譜生成。分析模型中的至少一個光 譜可包括分析在第一模型和第二模型中的至少一個光譜。在一些實施例中所述模型基于分 析的組織來選擇。在一些實施例中，得分指示組織是否為正常、異常增生或瘤形成。
[0036] 在某些方面中，分析至少一個光譜包括；執行異常分析；響應于確定至少一個光 譜是異常的異常分析，抑制光譜。執行異常分析可包括主成分分析。
[0037] 在某些方面中，音頻發射裝置響應于確定至少一個光譜是異常的異常分析，來發 射音頻信號。響應于確定至少一個光譜是異常的異常分析來獲得至少一個附加光譜，該獲 得的至少一個附加光譜由系統接收W用于分析。
[0038] 在一些實施例中，音頻發射裝置發射識別組織為正常的、異常增生或瘤形成的音 頻信號。在一些實施例中，與正常的、異常增生或瘤形