人体组织反射光谱的检测研究

引言

随着光学诊断手段的进步，利用光与组织相互作用的方法日益备受生物医学工作者的关注。人体组织是一种浑浊有机体。当一束宽波长的光透射到生物组织表面上时，由于界面的光学系数变化，产生 两种形式的效应: 即弹性散射和吸收现象。在这个过程中，一部分的光被组织表面镜面反射，其余的一部分的光将以一定的角度进入生物组织内部。由于光与组织相互作用时，光强会随着光在组织体中传播距离的增加而衰减，以及不同类型生色团的吸收，因此产生吸收现象; 由于组织体内部结构成分复杂， 细胞器或细胞质的折射系数不均匀导致光在传播过程中方向的变化，从而将会使传播在组织内的光发生反射、折射和散射。

透射光在组织内部经过多次散射、吸收后，一部分的透射光将重新反射回来形成反射光谱信号。这种重新再现的光不仅包含了由于组织表面的尺度参数大于激发波长的原因而在组织体表面产生的反射光，还包含了经组织内部多次 散射、吸收过程后重新返回组织体表面的回返光。因此，这种从组织内部“旅行”回来并再被检测到的反射光谱携带了组织形态、结构、内部成分等信息，它是由生物组织自身固有的散射和吸收特性所决定的。

在肿瘤基质微环境中，由于细胞结构和生化成分的异变导致了某种定向的肿瘤生长。对于这些各类细胞，虽然它们并不都是恶性的，但由于生化和物理性质已经不同于正常的组织。因此，反射光谱在粘膜组织早期病变检测和诊断方面具有一定的潜力和优势，例如，细胞新陈代谢，微血管分布和血红蛋白氧化作用，这对疾病的诊断是具有重要意义。

皮肤组织的反射光谱

皮肤是人体表面最大的组织器官，具有保护人体健康的重要功能，但由于环境因素等可能致使一些皮肤病变发生。开展皮肤组织的反射光谱研究，有助于从生化层面了解病变机理; 同时，皮肤组织也 是最容易实现的活体反射光谱检测。早在1993年就开展了人体皮 肤组织反射光谱的研究工作，并通过搭建的系统成功分析了活体正常和异常皮肤组织的光学特性。

结果显示，在光谱强度在波长为 520nm和600nm之间存在明显的氧合血红蛋白吸收。2007 年，研究了具有三色白癜风皮肤的反射光谱，指出反射光谱可用于对皮肤表层黑色素的研究，可在皮肤表层黑色素缺失的情况下，探测更深层的黑色素含量与分布。2012 年，对正常皮肤和疙瘩疤痕皮肤组织内胶原蛋白的反射光谱开展研究，发现二者之间的胶原蛋白浓度、血红蛋白氧饱和度、散射系数明显不同，该研究有助于医生了解皮肤疙瘩疤痕的功能性和结构性条件。

3、口腔组织的反射光谱

2005 年，通过分析对比口腔粘膜组织良性、异常病变、恶性病变三种情况的反射光谱，结果显示三者的反射光谱存在显著差异，这可 能与血液吸收和散射效应变化有关。采用一种微型光纤光谱仪对 400-600 nm 范围内的口 腔颊粘膜离体组织和活体组织进行反射光谱测量（图 1) 。

图 1 口腔颊粘膜离体组织和活体组织反射光谱测量

实验表明，氧合血红蛋白的反射光谱强度与不同的病灶类型和不同的组织病理条件密切相关，并指出病变组织的反射强度比值( Ｒ540 /Ｒ570 ) 总小于正常组织的强度比。Ｒupananda Mallia等提出利用氧合血红蛋白吸收波段的反射光谱比率对活体口腔粘膜组织开展鉴别诊断，指出使用反射光谱比率的散点图对癌前病变、畸形增生和正常组织的诊断鉴别能够实现较好的灵敏度和特异性。2014 年，严文娟等指出反射光谱能更好地反映舌体内部组织成分、微循环状态等信息。

4、肺癌组织的反射光谱

加拿大研究者构建了一套基于内窥镜实时成像和光谱采集装置对肺支气管早期恶性组织同时进行反射光谱和自体荧光光谱的测量。这项研究表明，肺癌组织和正常组织的反射光谱在 540 nm 和 580 nm 处均有明显的血红蛋白吸收现象，然而，癌组织同正常组织的反射光谱强度的比值在580nm 之前还是相对平稳的，在580 nm之后则出现递增的情 况。2006 年，有研究人士基于先前的工作，报道了基于反射光谱的活体肺癌研究成果，结果显示，正常组织、良性病变和恶性病变之间的组织血液体积分数、血氧饱和度、散射体积分数以 及尺寸大小分布方面存在着显著差异，进而分析获取与癌症相关的生理、表面形态变化等定量信息，这项研究对于提高在体肺癌患者早期检测的准确性具有重要临床意义。

2010 年，Stephen Chad Kanick 等报道了将单光纤反射光谱探针并入超声内镜引导下细针穿刺活检程序中以检测肺癌分期，并基于一套数学模型对所采集的数据进行分析。这项研究表明，单光纤反射光谱能够检测正常和转移性淋巴结的生理差异，但仍需优化取样策略。

5、鼻咽癌组织的反射光谱

2016 年，有课题组首次报道了离体鼻咽癌组织的反射光谱研究( 图 2) ，发现二者的平均反射光谱的血红蛋白吸收带存在着显著性差异，并对采集的数据进行多元统计分析，其诊断灵敏度和特异性分别为73． 7% 和72． 2% ; 此外，通过分析氧合血红蛋白吸收强 度变化和所对应的平均反射强度比值 ( Ｒ540 /Ｒ576) ，发现一些特别的变化，例如鼻咽癌组织的 Ｒ540 /Ｒ576 比值高于非癌组织的比值，可作为指示癌变的相关指标。这项研究表明反射光谱的无 损、快速检测潜力，并为下一步的活体鼻咽癌组织的反射光谱研究提供了一定的参考与指导。

图 2 离体鼻咽癌组织和非癌组织的反射光谱

6、结束语

反射光谱技术在生物医学领域中已占据重要的研究地位，并且基于反射光谱的新技术、新方法的报道，使它更具研究活力和价值。无损、快速的活体癌症检测势必成为未来研究的方向。纵然如此，反射光谱技术还尚存一些问题，包括如何对活体组织光谱的准确筛选和判别，以及如何建立性能良好的活体反射光谱检测系统，这些都还需进一步研究。反射光谱技术应用于临床疾病的筛查与诊断依然任重而道远。

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审核编辑 黄宇