專利名稱：用于復(fù)合上皮早期癌癥的診斷和分期的系統(tǒng)、計算機可讀介質(zhì)、方法和使用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及醫(yī)療診斷領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于 通過組合的差分路徑長度光譜學(xué)和偏振光散射光譜學(xué)來對早期癌癥進(jìn) 行檢測和分期的系統(tǒng)、計算機可讀介質(zhì)和方法。
背景技術(shù)：
癌癥是世界上死亡的三大原因之一。在所有的癌癥中，超過85% 具有上皮起源，這意味著它們與表面緊密相關(guān)。 一個實例是皮膚。皮 膚由三個原生層組成表皮，其提供防水并且用作阻擋感染的屏障； 真皮，其用作皮膚的附著物的位置；和下皮，皮下脂肪層，其也被稱 為基膜。
表皮是皮膚的最外面的層。它在身體的表面形成防水、保護性包 裹，并且由下面具有基片的分層的鱗狀上皮構(gòu)成。
基底層或?qū)釉苹?stratus basale)定位在表皮與真皮之間， 其由位于基底膜上的高的、簡單的柱狀上皮細(xì)胞的單個層組成。這些 細(xì)胞經(jīng)歷快速的細(xì)胞分裂、有絲分裂以通過從表面脫落來補償皮膚的 常規(guī)損失。大約25%的細(xì)胞是黑素細(xì)胞，其產(chǎn)生為皮膚和頭發(fā)提供色素 沉著的黑色素。
所述真皮是在由結(jié)締組織組成的表皮之下的皮膚層并且為身體緩 和應(yīng)力和張力。該真皮通過基底層緊緊地連接到表皮。真皮中的血管 向它自己的細(xì)胞以及表皮的基底層提供營養(yǎng)和清除廢物。
下皮不是皮膚的一部分，并且位于真皮下面。其目的是將皮膚附 著到下面的骨骼和肌肉以及為皮膚提供血管和神經(jīng)。
除皮膚之外，還存在若干種其他的上皮癌類型，尤其是肺癌、宮 頸癌、胃腸癌以及皮膚癌。上皮癌的發(fā)展可以表征為不同的階段。
在增生階段，細(xì)胞的形態(tài)沒有變化，只是上皮層的數(shù)量發(fā)生變化， 從而表皮的厚度發(fā)生變化。
在發(fā)育異常階段，細(xì)胞的形狀和尺寸發(fā)生變化。而且，對于在發(fā)
5育異常(所謂的血管生成)期間癌變前的上皮微脈管血液含量的增加， 存在明顯的證據(jù)，這在發(fā)育異常階段中在良性瘤中不是典型的。因此， 血管生成是惡性增生的唯一標(biāo)志。此外，在后期的發(fā)育異常或癌癥中 血氧含量減少。
在處于原位階段的癌癥中，細(xì)胞形態(tài)已經(jīng)甚至進(jìn)一步變化并且異 常細(xì)胞已經(jīng)遍及整個表皮。
最后，在癌癥階段，癌細(xì)胞已經(jīng)穿過基底層并且可以向整個身體 擴展或轉(zhuǎn)移。
差分路徑長度光謙學(xué)(DPS)(參見專利申請W02005/029051 )是 用于癌癥檢測的光學(xué)技術(shù)，這些癌癥例如乳腺癌、口腔癌以及腦癌。 它是一種光纖技術(shù)，其中由傳送-收集(DC )光纖將白色光傳送到組織。 所述光的一部分被混濁組織反向散射并且被兩個光纖測量，即DC光纖 和粘到DC光纖的收集光纖。實際信號是這兩個光纖的信號之間的差。 這兩個信號的差減少了多次散射光子在信號中的存在，并且以此方式 減少了探測深度。DPS根據(jù)單次或多次散射光子結(jié)合恒定的探測深度測 量組織屬性，該探測深度可以通過選擇特定的光纖直徑來調(diào)節(jié)。所述 恒定的路徑長度實現(xiàn)了對血氧、血液量、平均血管直徑和散射的絕對 測量，當(dāng)組織癌變時所有這些指標(biāo)都發(fā)生變化。DPS的缺點在于，它不 適合用于組織畸變的早期檢測，因為當(dāng)癌癥已經(jīng)發(fā)展時，僅僅四分之 三的參數(shù)發(fā)生明顯變化。例如，在增生階段，血氧、血液量、平均血 管直徑將不會發(fā)生變化。在增生階段只有所述散射受到影響。然而， DPS的特征是對于所述參數(shù)的變化不是非常敏感。
另一種用于癌癥檢測的已知技術(shù)是偏振光散射光譜學(xué)(LSS)(參 見V. Backman等人于1999年7月發(fā)表在IEEE J.的第五巻第4期第1019 頁的Selected Topics Quantum Electron。 ) 。 LSS的原理是，來自 白色光源的線性偏振的光入射到待研究的組織上。檢測漫散射的光并 且測量兩個偏振分量的強度。該技術(shù)的原理基于下列事實散射一次 或兩次的光子大多數(shù)將保持它們的偏振，而多次散射的光子將失去它 們的偏振。因此，通過將這兩個測量光強I丄和1||相減，所述多次散 射光子的貢獻(xiàn)將取消?？梢允褂妹资侠碚?Mie theory)來模擬組織 的LSS光譜，并且通過對試驗光譜的擬合可以獲得三個參數(shù)平均細(xì) 胞尺寸、細(xì)胞尺寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差和組織的折射率。已經(jīng)示出，對于惡性組織，這三個參數(shù)是不同的并且可以用于癌癥檢測。LSS的缺點在于， 它對癌癥組織的早期階段的檢測不敏感，因為最大成像深度或探測深 度是有限的，使得僅僅能夠成像有限部分的表皮。這使得LSS對增生 階段不敏感，因為增生階段中表皮的層增厚不能被測量。而且，由于 LSS的有限的探測深度，不能從上皮層下面獲得散射信息，這是對于區(qū) 分原位癌與惡性腫瘤是重要的。
因此，DPS形態(tài)和LSS形態(tài)關(guān)于檢測癌癥發(fā)展早期的適用性都有缺 陷。因此， 一種用于早期癌癥的診斷或分期的改進(jìn)的系統(tǒng)、計算機可 讀介質(zhì)及其使用將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明優(yōu)選地設(shè)法單獨地或以任何組合的方式減輕、緩和 或消除現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷和缺點的一個或多個，并且通過提供一種 根據(jù)所附專利權(quán)利要求的系統(tǒng)、計算機可讀介質(zhì)、方法及其使用來至 少解決上述問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于檢測病人組織中的上皮癌 的早期階段的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括偏振光散射光譜學(xué)單元，用于執(zhí)行具 有笫一探測深度的偏振光散射光譜學(xué)測量從而產(chǎn)生第一光譜。而且該 系統(tǒng)包括差分路徑長度光譜學(xué)單元，用于執(zhí)行具有第二探測深度的差 分路徑長度光譜學(xué)測量從而產(chǎn)生第二光譜，其中第二探測深度大于第 一探測深度。而且，該系統(tǒng)包括處理單元，用于根據(jù)第一光譜與第一 參考光諉的相關(guān)計算來計算第一相關(guān)參數(shù)值并且根據(jù)第二光譜與第二 參考光譜的相關(guān)計算來計算第二相關(guān)參數(shù)值，其中第一相關(guān)值與第二 相關(guān)值有關(guān)就表示該組織的癌癥階段。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面， 一種計算機可讀介質(zhì)具有包含在其上 的計算機程序以用于由處理器處理。該計算機程序包括第一代碼段， 用于執(zhí)行具有第一探測深度的偏振光散射光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生笫一 光譜。而且，該計算機程序包括第二代碼段，用于執(zhí)行具有第二探測 深度的差分路徑長度光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第二光譜，其中第二探測 深度大于第一探測深度。而且，該計算機程序包括第三代碼段，用于 根據(jù)第一光譜與第一參考光譜的相關(guān)計算來計算第一相關(guān)參數(shù)值并且 根據(jù)第二光譜與第二參考光譜的相關(guān)計算來計算第二相關(guān)參數(shù)值，其中第一相關(guān)值與第二相關(guān)值有關(guān)就表示該組織的癌癥階段。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于檢測病人組織中上皮癌的 早期階段的方法。該方法包括執(zhí)行具有第一探測深度的偏振光散射光 譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第一光譜。而且，該方法包括執(zhí)行具有第二探測 深度的差分路徑長度光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第二光譜，其中第二探測 深度大于第一探測深度。而且，該方法包括根據(jù)第一光譜與第一參考 光譜的相關(guān)計算來計算第一相關(guān)參數(shù)值并且根據(jù)第二光譜與第二參考 光謙的相關(guān)計算來計算第二相關(guān)參數(shù)值，其中第一相關(guān)值與第二相關(guān) 值有關(guān)就表示該組織的癌癥階段。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了根據(jù)所附權(quán)利要求1-18中任一項 的，用于診斷和分期上皮早期癌變的系統(tǒng)、計算機可讀介質(zhì)、或方法 的使用。
根據(jù)實施例，本發(fā)明可以用于檢測上皮癌、可能導(dǎo)致癌癥的組織 失常、或可以指示或?qū)е缕渌“Y的組織失常。應(yīng)該根據(jù)所研究的特 定組織的表皮厚度來選擇光纖直徑并間接地選擇DPS探測深度。
本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)、方法、計算機可讀介質(zhì)，組合來 自具有笫一探測深度的LSS測量與具有第二探測深度的DSP測量的信 息的其中第二探測深度被設(shè)置為大于第一探測深度。通過比較LSS和
DPS的測量，可以檢測癌癥的早期階段，比如發(fā)育異常。而且可以利用 本發(fā)明檢測增生、原位癌以及惡性肺瘤。
本發(fā)明可以依照用于檢測癌癥(比如上皮癌)的早期階段的一些 實施例。在一些實施例中，本發(fā)明可以用于檢測皮膚癌的早期階段。 然而，本發(fā)明不僅僅限于皮膚癌，而是還可以用來檢測食道癌、口癌、 腸癌、膀胱癌、宮頸癌、或任何其他癌癥等的早期階段。


通過下面參照附圖對本發(fā)明的實施例的描述，本發(fā)明所具有的這 些和其他方面、特征和優(yōu)點將顯而易見并被闡明，其中
圖1是公知的DPS配置的示意性概述圖； 圖2是示出實施例的圖； 圖3是示出根據(jù)實施例的系統(tǒng)的框圖； 圖4是示出根據(jù)實施例的系統(tǒng)的示意8圖5是示出根據(jù)實施例的系統(tǒng)的示意圖6是示出根據(jù)實施例的系統(tǒng)的示意圖7是示出根據(jù)實施例的計算機可讀介質(zhì)的框圖8是示出根據(jù)實施例的方法的框圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的若干實施例，以便使得本 領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以通過許多不同的形 式實施并且不應(yīng)該被解釋為限于本文所提出的實施例。相反地，提供 這些實施例使得本公開全面和完整，并且完全將本發(fā)明的范圍告知本 領(lǐng)域的技術(shù)人員。這些實施例沒有限制本發(fā)明，而是本發(fā)明僅僅由所 附專利權(quán)利要求限定。而且，在附圖中示出的特定實施例的詳細(xì)描述 中使用的術(shù)語不旨在限制本發(fā)明。圖1示出用于公知的擴散路徑長度 光譜學(xué)配置的原理。該DPS形態(tài)可以采用兩種模式，單次散射情況或 多次散射情況。已經(jīng)示出單次散射情況的光子路徑長度1，其滿足 1=21^=2/^，這意味著該光子路徑長度與被分析的介質(zhì)的散射系數(shù)Hs 成反比。而且，根據(jù)采用在0<na<2mm—1的范圍中的組織的吸收常數(shù)jia (JJ和在1(Kns〈100mnT的范圍中的組織的散射常數(shù)Us (X)，已經(jīng)表 明恒定路徑長度1滿足1=0. 80*dfib_這意味著在多次散射情況中的光 子路徑長度與傳送-收集(DC)光纖的纖芯直徑有關(guān)。因此，通過改變 光纖的直徑，可以在距離組織表面的各種深度成像組織。換句話說， 可以通過選擇特定的纖芯直徑來調(diào)節(jié)探測深度zmax=l/2。
測量已經(jīng)表明，98%的測量的偏振光散射光譜學(xué)信號來自由t-〈2給定的探測深度？，其中t為光學(xué)厚度。因此，通過，l的介質(zhì)傳播 的光子將平均經(jīng)歷一個散射事件。換句話說，探測深度z^等于2 s。 基于下面的標(biāo)準(zhǔn)入射到組織的線性偏振的白色光的波長在350到 800mm的范圍內(nèi)、表皮的散射常數(shù)jis在42〈p^ll0咖1的范圍內(nèi)、真皮 的散射常數(shù)jis在18〈ns〈46mm1的范圍內(nèi)，可以經(jīng)試驗獲得探測深度zaax 處于18< zma)[<48nm的范圍內(nèi)。因此，LSS僅僅可以探測表皮。與DPS 相反，探測深度不是常數(shù)并且依賴于混濁介質(zhì)的散射屬性。
下面的描述聚焦于適用于早期癌癥檢測和分期，特別是通過使用 DPS和LSS的組合進(jìn)行的早期癌癥檢測和分期的本發(fā)明的實施例。本發(fā)明提供一種用于檢測早期組織失常的LSS和DSP的組合技術(shù)， 其可以用于癌癥分期。而且，本發(fā)明可以依照一些實施例改進(jìn)甚至在 增生階段中組織失常的檢測以改進(jìn)癌癥分期。本發(fā)明的一些實施例的 思想將會把DPS測量的探測深度設(shè)置為大于LSS測量的探測深度。這 樣，將可以采用來自LSS測量和DPS測量二者的信息以改進(jìn)對早期癌 癥診斷的分期。僅僅通過分別執(zhí)行兩個獨立的DPS和LSS測量，這種 技術(shù)效果是不可能的，作為采用每個形態(tài)的結(jié)果， 一個形態(tài)分別產(chǎn)生 一個信息，這不可以用于對癌癥的早期階段的效果顯著的檢測。
如上所述，用于LSS形態(tài)的探測深度小于表皮的厚度并且因此從 LSS不可以獲得關(guān)于表皮厚度的信息，該信息指示所研究的組織處于增 生階段并且處于癌癥發(fā)展的笫一階段。注意到所研究的組織可能處于 增生階段且不處于癌癥發(fā)展的第一階段是重要的。例如，如果在皮膚 表面上有傷口 ，組織會自然進(jìn)入增生階段以在皮膚表面形成新細(xì)胞來 最終代替受損細(xì)胞。
圖2示出本發(fā)明的一些實施例的思想，其中通過改變纖芯直徑將 DPS探測深度設(shè)置為大于LSS探測深度。圖2是皮膚的不同階段的示意 圖，即正常粘膜(A)、增生階段(B)、發(fā)育異常階段(C)、原位癌 (D)以及惡性腫瘤(E)。從圖2中可以觀察到，DPS測量的探測深度 被設(shè)置為大于LSS測量的深度。這樣，可以區(qū)分癌癥的早期階段。當(dāng) 根據(jù)一些實施例實施本發(fā)明時，所述正常粘膜可以用作基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)以 方便區(qū)分癌癥的隨后的階段。增生階段中的LSS測量信號與正常粘膜 相比基本上相等，這是由于下述事實細(xì)胞的尺寸和形狀仍然沒有發(fā) 生顯著的變化。然而，被配置為具有當(dāng)組織正常時例如位于基底層之 下的探測深度的DPS測量現(xiàn)在將接近基底層進(jìn)行探測，因為上皮層變 厚了。因此，可以推導(dǎo)出上皮層的厚度。連同來自LSS測量的結(jié)果，
所研究的組織可以被表征為處于增生階段。在發(fā)育異常階段，與正常 粘膜和增生階段的測量信號相比，LSS測量信號開始發(fā)生變化。對于 LSS測量，這主要是由于細(xì)胞尺寸和形狀的開始增加導(dǎo)致更多散射。而 且，當(dāng)在基底層下面(但與之接近)的結(jié)締組織中的脈管結(jié)構(gòu)和血液 含氧量增加時，DPS測量信號發(fā)生變化。使用兩個結(jié)果以能夠檢測發(fā)育 異常階段。以此方式，可以區(qū)分增生階段和發(fā)育異常階段。在原位癌 中，細(xì)胞形態(tài)甚至已經(jīng)進(jìn)一步改變并且異常細(xì)胞已經(jīng)擴展到整個表皮并且這將導(dǎo)致對于依照增加的尺寸和形狀的LSS和依照更多血管的 DPS的不同測量信號。通過采用兩個信號，可以區(qū)分原位癌階段和癌癥 的其他階段。在惡性腫瘤階段，癌細(xì)胞已經(jīng)穿過基底層并且可能擴展 或轉(zhuǎn)移到整個身體。這可以通過利用DPS測量甚至在基底層區(qū)域下面 的其他血管來檢測。
從圖2中可以觀察到，利用LSS區(qū)分原位癌和惡性腫瘤是困難的， 因為它的探測深度有限。利用LSS可以獲得表面的組織層的信息，而 DPS測量來自更深層的信息。
根據(jù)一些實施例來使用本發(fā)明將提供一種方法來將原位癌與惡性 肺瘤與增生和發(fā)育異常進(jìn)行區(qū)分。
在實施例中，提供一種系統(tǒng)，其采用LSS測量和DPS測量的組合。 這樣選擇光纖直徑使得DPS探測深度處于真皮中，并且因此所述信 號包括來自表皮和真皮二者的貢獻(xiàn)。對于z_=0. 40*山^且100um的真 皮厚度，要求光纖直徑超過400um。例如，可以選擇800um的光纖直徑， 使得DPS探測到組織內(nèi)的200um深度。在正常、健康組織情況下，LSS 光譜和DPS光譜都將類似于健康組織。在增生的情況下，即組織處于 增生階段(表示細(xì)胞分裂增加階段)，LSS光譜將仍然類似于健康組織。 然而，DPS光譜將會不同，因為變厚的表皮將導(dǎo)致所述信號的更大部分 源自該表皮。如果在發(fā)育異常階段所研究的組織是癌變的，則LSS測 量將檢測細(xì)胞尺寸和形狀的笫一變化。通過將LSS光譜的變化與DPS 光譜的變化相關(guān)，可以降低這些變化的檢測限制。這可以例如由處理 單元43 (下面將更詳細(xì)地解釋)對在一組被鑒定的測試樣本(即參考 樣本)上測量的光譜采用相關(guān)積分或主分量分析來執(zhí)行。這意味著可 以單獨地將LSS光譜和DPS光謙分別與參考樣本的參考LSS光譜和參 考DPS光譜進(jìn)行比較，以便確定所研究組織的癌癥階段。在LSS光譜 和DPS光譜已經(jīng)與它們對應(yīng)的參考光譜相關(guān)聯(lián)之后，結(jié)果(下面也表 示為相關(guān)值)指示了所研究組織的癌癥的階段。例如，將測量的LSS 光譜與其LSS參考光譜相關(guān)聯(lián)的結(jié)果可以指出組織處于正常階段。然 而，測量的DPS光譜與其DPS參考光譜之間的相關(guān)性可以指示增生階 段。比較這兩個結(jié)果以指示皮膚的階段(其在該實例中將是增生階段)， 因為皮膚的頂層看起來仍然正常，但是基底層的厚度已經(jīng)開始變化。 而且，基底層的粗糙化的量(其沒有用LSS檢測并且因此在LSS光譜
ii中不可見)可以根據(jù)DPS光譜進(jìn)行檢測，例如通過監(jiān)控當(dāng)在各個不同 位置測量時的信號變化水平來檢測。在另一個實例中，LSS相關(guān)可以指 示組織處于發(fā)育異常階段，因為細(xì)胞的尺寸和形狀已經(jīng)開始變化，而 DPS相關(guān)指示組織也可能處于發(fā)育異常階段。因此，在該實例中，組織 可以被診斷為發(fā)育異常。在這種情況下，即使DPS相關(guān)性將指示增生 階段，這也許是由于在DPS測量的特定區(qū)域中沒有檢測到增加的血管分 布同時檢測到基底層加厚，該組織還可能被診斷為處于發(fā)育異常階段， 因為LSS相關(guān)已經(jīng)檢測到細(xì)胞尺寸的增加和細(xì)胞形狀的變化。使用相 同的方法，可以通過根據(jù)一些實施例實施本發(fā)明來區(qū)分前述癌癥的所 有階段。
在實施例中，當(dāng)所研究的組織將處于原位癌階段時，LSS測量將導(dǎo) 致細(xì)胞尺寸和形狀的進(jìn)一步變化。DPS測量信號將給出有關(guān)癌變表皮的 厚度和基底層的粗糙度的信息。
高級階段原位癌與早期階段的惡性肺瘤之間的區(qū)別在于，在后一 個階段癌變細(xì)胞已經(jīng)穿過基底層進(jìn)入真皮。LSS測量不能單獨地測量這 個事件過程。然而，DPS信號將反映真皮的光學(xué)屬性的變化。
在根據(jù)圖3的實施例中，提供一種用于檢測病人組織的上皮癌的 早期階段的系統(tǒng)(40)。該系統(tǒng)包括用于執(zhí)行具有第一探測深度的獨 立的LSS測量的LSS單元41。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于執(zhí)行具有第二探 測深度的獨立的DPS測量的DPS單元42，其中通過可選地在與LSS測 量相同的位置處改變DC光纖的纖芯直徑而將第二探測深度設(shè)置為大于 第一探測深度。DPS測量產(chǎn)生第二光譜。而且，該系統(tǒng)包括處理單元 43，其用于根據(jù)第一光譜與第一參考光譜的相關(guān)計算來計算第一相關(guān) 參數(shù)值，并且根據(jù)第二光譜與第二參考光譜的相關(guān)計算來計算第二相 關(guān)參數(shù)。隨后，與第二相關(guān)值相關(guān)的第一相關(guān)值指示所研究組織的癌 癥階段。第一和第二參考光譜可以包括從數(shù)據(jù)庫獲得的數(shù)值，該數(shù)據(jù) 庫包括一組樣本的光譜和數(shù)值，即參數(shù)參考值，其已經(jīng)通過組織病理 學(xué)鑒定。在一些實施例中，該處理可以由專家視覺地執(zhí)行，然而在其 他實施例中當(dāng)難以視覺地檢測增生階段或發(fā)育異常階段時，該處理可 以通過計算機軟件自動執(zhí)行。
在另一個4艮據(jù)圖4的實施例中，系統(tǒng)50的LSS和DPS形態(tài)被組合 并被集成到一個配置中。該實施例的優(yōu)點在于，在恰好相同的位置進(jìn)行這兩種測量，這使得LSS與DPS光譜之間的相關(guān)性或缺乏相關(guān)性更 加顯著。另一個優(yōu)點是，與單獨的LSS和DPS測量相比，光纖的總的 數(shù)量將減少。 一個方面(考慮何時形成組合的LSS和DPS形態(tài))是， 偏振保持(PM)光纖僅僅以單一模式工作，即僅僅一個偏振方向。因 此，PM光纖僅僅可以用于傳輸光而不用于收集光。否則，效率將會很 低。因此，根據(jù)一些實施例，使用在其末端具有偏振器的多模光纖探 針。這種多模光纖探針從例如Ocean Optics可知其是商業(yè)可用的。在 圖4中，系統(tǒng)配置包括在末端設(shè)有偏振器4、 5和、6的光纖1、 2和3。 光纖2表示激勵/檢測光纖(與DPS測量的DC光纖相同)并且在該光纖 末端處的偏振器5發(fā)送例如p偏振的輻射。當(dāng)輻射激勵源IO通過連接 光纖2a將光發(fā)送到光纖2中時，光纖2可用于將(偏振的)激勵輻射 傳輸?shù)浇M織樣本。光纖1表示"垂直的檢測光纖"，其偏振器4垂至 于激勵/檢測光纖2的偏振器5，在這種情況下偏振器4可以是s-透射 偏振器.光纖3表示"平行的檢測光纖"，其偏振器6平行于偏振器5， 在當(dāng)前的實例中偏振器6可以是p透射偏振器.由光纖l、 2和3收集 的光被發(fā)送到檢測器7、 8和9。這些檢測器可以例如是光譜儀。
在根據(jù)圖5的實施例中，系統(tǒng)60可以以DPS模式操作。對于在DPS 模式中的操作，僅僅使用光纖2和3，它們在其端點具有相同的偏振器。 圖5示出這兩個光纖的簡化圖。在DPS操作模式中，激勵光ll被導(dǎo)向 到樣本(未示出)上。該激勵光通過偏振器5被偏振，之后到達(dá)樣本 處。在樣本中，單次散射光l2可以立即向后行進(jìn)到光纖2中并且因為 單次散射光保持其偏振，所以偏振器5將不會阻擋光12。進(jìn)一步地進(jìn) 入樣本中，在多次散射事件的影響下，所述光的一部分到達(dá)光纖2和3 (用箭頭13和14表示)。在到達(dá)光纖2和3之后，多次散射光將被 部分阻擋，典型地為大約50%，因為激勵光的偏振由于多次散射而被隨 機化。然而，因為這兩個光纖測量的這些信號具有相同效率，所以來 自這兩個信號的貢獻(xiàn)將是相同的并且通過將這些來自光纖2和3的信 號相減可以得到來自單次散射光子的信號。
該系統(tǒng)與常規(guī)的DSP形態(tài)之間的區(qū)別在于，多次散射光子也可以 優(yōu)選地到達(dá)光纖2。這是用于高散射介質(zhì)的情況，并且這典型地是生物 樣本(比如用于人類皮膚)的情況，其中散射常數(shù)h處于10〈ns〈100nm—1 的范圍內(nèi)。所述不同是由阻擋這些多次散射光子的50%的偏振器5造成的。實際上，這將可選地導(dǎo)致恒定的差分路徑長度的減少，即l《
0. 80*dfibI。。換句話說，對于給定的探測深度，所提供的系統(tǒng)可能需要 比常規(guī)DPS大的光纖直徑。
在根據(jù)圖6的另一個實施例中，系統(tǒng)70以LSS模式操作。在該操 作模式中，使用所有三個光纖。中心光纖2僅僅用于用于激勵，而光 纖1和3用于檢測來自樣本的散射光。激勵光纖2恰好在檢測光纖1 和3之間，使得光纖1和3二者通常將收集相同量的輻射。然而，因 為偏振器4和6相互垂直，所以這兩個光纖將測量不同的偏振。因此， 一個光纖將返回單次散射和多次散射光的信號，在這種情況下該光纖 將是光纖3。光纖3檢測用箭頭15和14表示的光，而光纖l將僅僅給 出多次散射光的信號(用箭頭13表示)，其中由于單散射光保持其偏 振所以單次散射貢獻(xiàn)16被偏振器4阻擋。將來自光纖4和6的信號相 減將導(dǎo)致取消多次散射分量，而只有單次散射信號將保持。
在一實施例中，系統(tǒng)50被操作用于與脈動同步記錄LSS光譜和DPS 光譜。在該實施例中，與脈動同步記錄LSS光譜和DPS光譜以消除由 于脈動引起的血氧濃度的波動。根據(jù)該實施例，由具有合適的延遲設(shè) 置的脈搏檢測器(即聲學(xué)傳感器或壓力傳感器)來觸發(fā)發(fā)送探測光和 記錄光譜。為了獲得高的信噪比，可以以與病人的脈動相同的速率重 復(fù)地采樣光譜。
在一實施例中，所述系統(tǒng)包括可以用于控制系統(tǒng)的單元和測量的 控制臺單元。該控制臺可以例如是觸摸屏顯示器，用戶可以在該觸摸 屏顯示器中交互式地執(zhí)行癌癥分期。在另一個實施例中，該控制臺被 配置為自動執(zhí)行癌癥分期?？梢栽诳刂婆_上顯示處理狀態(tài)、計算的參 數(shù)值等等。
在實施例中，所述光學(xué)系統(tǒng)被集成到導(dǎo)管中。該導(dǎo)管可以包括光 纖l、 2和3中的至少一個，并且可以使用該導(dǎo)管以便能夠?qū)⒐饫w傳送 到體內(nèi)的診斷位置，例如病人的膀胱或胃。在另一個實施例中，光纖1、 2和3中的至少一個可以設(shè)有內(nèi)蔬鏡，其被傳送到體內(nèi)的診斷位置。
在根據(jù)圖7的實施例中，提供一種計算機可讀介質(zhì)80，其具有包 含在其上的用于由處理器處理的計算機程序。該計算機程序包括第一 代碼段81，用于執(zhí)行具有第一探測深度的偏振光散射光譜學(xué)測量，從 而產(chǎn)生第一光譜。而且，該計算機可讀介質(zhì)包括第二代碼段，用于執(zhí)行具有第二探測深度的差分路徑長度光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第二光譜， 其中第二探測深度大于第一探測深度。而且，該計算機可讀介質(zhì)包括
第三代碼段，用于根據(jù)第一光譜與第一參考光譜的相關(guān)計算來計算第 一相關(guān)參數(shù)值并且根據(jù)第二光譜與第二參考光譜的相關(guān)計算來計算第 二相關(guān)參數(shù)值。其中與第二相關(guān)值有關(guān)的笫 一相關(guān)值表示所研究組織 的癌癥階段。
在實施例中，該計算機可讀介質(zhì)包括被設(shè)置為當(dāng)由具有計算機處 理特性的設(shè)備運行時用于執(zhí)行在一些實施例中定義的所有方法步驟。
在根據(jù)圖8的實施例中，提供一種用于檢測病人的組織的上皮癌 的早期階段的方法。該方法包括執(zhí)行具有第一探測深度的偏振光散射 光譜學(xué)測量91，從而產(chǎn)生第一光譜。而且，該方法包括執(zhí)行具有第二 探測深度的差分路徑長度光譜學(xué)測量92，從而產(chǎn)生第二光譜，其中第 二探測深度大于第一探測深度。而且，該方法包括根據(jù)第一光譜與第 一參考光譜的相關(guān)計算來計算93第一相關(guān)參數(shù)值并且根據(jù)第二光譜與 第二參考光譜的相關(guān)計算來計算93第二相關(guān)參數(shù)值。與第二相關(guān)值有 關(guān)的第一相關(guān)值表示該組織的癌癥階段。
如上所述，可以從例如具有對于不同階段的不同類型組織的不同 參考值的數(shù)據(jù)庫中收集LSS或DPS參考光譜。
在實施例中，光源是寬帶發(fā)光二極管(LED)、激光器、鹵素?zé)簟?氙氣燈、氣體放電燈。
根據(jù)一些實施例，本發(fā)明可以用于檢測上皮癌、可能導(dǎo)致癌癥的 組織失常、或可以指示或?qū)е缕渌膊〉慕M織失常。應(yīng)該根據(jù)所研究
在實施例中，所述處理單元:設(shè)置為執(zhí)行對應(yīng)于第一LSS(或DPS) 光譜的第一光譜函數(shù)f與對應(yīng)于第二DPS (或LSS)光譜的第二光譜函 數(shù)g之間的相關(guān)度C，其可以根據(jù)下面的公式標(biāo)準(zhǔn)化地計算
15rf丄
g。 = {(公式1)
!■1 L 2
/0 = //(丄)必
其中(f )是參考LSS或DPS光譜(例如LSS或DPS參考光譜函數(shù))， (g )是測量的LSS或DPS光譜，其將測量的LSS或DPS光譜函數(shù)描述 作為波長(L，單位微米)的函數(shù)。光學(xué)子帶由波長L1到L2限定。如 上所述，至少一個相關(guān)度將針對LSS測量執(zhí)行并且至少一個相關(guān)度將 針對DPS測量執(zhí)行，使得將得到兩個表示所研究組織的癌癥階段的相 關(guān)值。第一和第二相關(guān)值的最終相關(guān)度可以視覺地或自動地執(zhí)行，以便
診斷所研究組織中癌癥的階段。
當(dāng)相關(guān)度C(L1，L2)接近零時，相關(guān)度將更好。當(dāng)這兩個函數(shù)g和f 不太相關(guān)時，值C(L1,L2)可以例如接近于值2。根據(jù)一些實施例，處理 單元還可以采用技術(shù)人員容易獲得的計算相關(guān)度C的任何公知的方法。 因此，根據(jù)一些實施例本發(fā)明不限于上述相關(guān)度公式(公式l)。 所述處理單元可以是通常用于執(zhí)行所涉及的任務(wù)的任何單元，例 如硬件，如具有存儲器的處理器。該處理器可以時任何類型的處理器， 比如英特爾(Inter)或AMD處理器、CPU、微處理器、可編程智能計 算機(PIC)微控制器、數(shù)字信號處理器(DSP)等等。然而，本發(fā)明 的范圍不限于這些特定的處理器。所述存儲器可以是任何能夠存儲信 息的存儲器，比如隨機存取存儲器(RAM ),如雙倍密度RAM( DDR， DDR2 )、 單密度RAM (SDRAM)、靜態(tài)RAM (SRAM)、動態(tài)RAM (DRAM)、視頻 RAM (VRAM)等等。該存儲器還可以時FLASH存儲器，如USB、緊湊型 閃存、智能介質(zhì)、MMC存儲器、記憶棒、SD卡、迷你SD、xD卡、TransFlash 以及微驅(qū)動存儲器等等。然而，本發(fā)明的范圍不限于這些特定的存儲 器。
在實施例中，所述系統(tǒng)包括在醫(yī)療工作站或醫(yī)療系統(tǒng)中，比如診 斷的或治療的醫(yī)療系統(tǒng)。
在實施例中，提供用于對早期癌變進(jìn)行診斷和分期的系統(tǒng)、方法、計算機可讀介質(zhì)或?qū)Ч芄饫w。
本發(fā)明可以以包括硬件、軟件、固件或其的任意組合的合適的形 式來實現(xiàn)。然而，優(yōu)選地，本發(fā)明被實現(xiàn)為運行在一個或多個數(shù)據(jù)處 理器和/或數(shù)字信號處理器上的計算機軟件.本發(fā)明的實施例的原件和 組件可以在物理上、功能上和邏輯上以任何合適的方式實現(xiàn)。事實上， 所述功能可以在單個單元中、在多個單元中或作為其他功能單元的一 部分而實現(xiàn)。同樣，本發(fā)明可以在單個單元中實現(xiàn)，或可以物理地和 功能地分布在不同單元和處理器之間。
盡管上面已經(jīng)參考特定實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于 本文提出的特定形式。相反地，本發(fā)明僅僅由所附權(quán)利要求來限定， 并且在這些所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)除上述特定實施例之外的其他實施 例也是可能的。
在權(quán)利要求中，術(shù)語"包括"不排除其他元件或步驟的存在。而 且，雖然單獨地被列出，但是多個裝置、元件或方法步驟可以由例如 單個單元或處理器實現(xiàn)。此外，雖然各個特征可以包含在不同的權(quán)利 要求中，但是可以將這些特征有利地組合，并且包含在不同的權(quán)利要 求中不意味著這些特征的組合不是可行的和/或有利的。此外，單數(shù)引 用不排除多個。術(shù)語"一"、"笫一，，、"第二，，等等不排除多個。 權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記僅僅為了澄清實例而提供，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋 為以任何方式限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測患者組織內(nèi)的上皮癌的早期階段的系統(tǒng)(40)，所述系統(tǒng)包括偏振光散射光譜學(xué)單元(41)，用于執(zhí)行具有第一探測深度的偏振光散射光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第一光譜，差分路徑長度光譜學(xué)單元(42)，用于執(zhí)行具有第二探測深度的差分路徑長度光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第二光譜，其中所述第二探測深度大于所述第一探測深度，以及處理單元(43)，用于根據(jù)所述第一光譜與第一參考光譜的相關(guān)計算來計算第一相關(guān)參數(shù)值并且根據(jù)所述第二光譜與第二參考光譜的相關(guān)計算來計算第二相關(guān)參數(shù)值，其中與所述第二相關(guān)值有關(guān)的所述第一相關(guān)值表示所述組織的癌癥階段。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述偏振光散射光譜學(xué)單元(41) 和所述差分路徑長度光譜學(xué)單元(42)采用第一光纖(2)來將源自光 源的光輻射發(fā)射到所述組織上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述偏振光散射光譜學(xué)單元(41) 被配置為分別經(jīng)由具有不同偏振的第二光纖(1)和第三光纖(3)接 受散射的光輻射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述差分路徑長度光譜學(xué)單元(42 ) 被配置為分別經(jīng)第一光纖(2 )和第二光纖(1 )接受散射的光，其中 所述第一光纖(2)和所述第二光纖(1)具有相同的偏振。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項的系統(tǒng)，其中所述第一光纖(2)、 所述第二光纖(1)或所述第三光纖(3)中至少一個被配置有偏振器(4， 5， 6)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項的系統(tǒng)，其中所述第一光纖(2)、 所述第二光纖(1)或所述第三光纖(3)中至少一個與被配置為寄存 所接收的散射光輻射的檢測器連接。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項的系統(tǒng)，其中所述第二探測深度 可以通過選擇第一光纖(2)的纖芯直徑的尺寸來調(diào)節(jié)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第二探測深度大于待檢查的患者 組織的上皮層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中第二探測深度z^滿足Zmax=0. 40*dfiber。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的系統(tǒng)，使得能夠區(qū)分所述組織的 增生階段、發(fā)育異常階段、原位癌以及惡性腫瘤。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的系統(tǒng)，其中所迷處理單元采用 相關(guān)積分或主分量分析來使得所述笫一光譜與所述第二光譜相關(guān)聯(lián)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的系統(tǒng)，其中所述相關(guān)度計算采 用下列公式<formula>formula see original document page 3</formula>
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的系統(tǒng)，其中所述偏振光散射光譜 學(xué)測量和所迷差分路徑長度光譜學(xué)測量與脈動同步.
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被配置為控制 所述偏振光散射光譜學(xué)單元(41 )、所述差分路徑長度光譜學(xué)單元(42 ) 或所述處理單元(43)的控制臺單元。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項的系統(tǒng)，包括具有被配置為包含 所述第一光纖(2)、所述第二光纖(1)或所述第三光纖(3)中至少 一個的腔的導(dǎo)管或內(nèi)窺鏡。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，被包括在醫(yī)療工作站或醫(yī)療系統(tǒng)中， 該醫(yī)療工作站或醫(yī)療系統(tǒng)例如是診斷的或治療的醫(yī)療系統(tǒng)。
17. —種計算機可讀介質(zhì)(80),具有包含在其上的計算機程序以 用于由處理器處理，所述計算機程序包括第一代碼段(81)，用于執(zhí)行具有第一探測深度的偏振光散射光 譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第一光譜，笫二代碼段(82)，用于執(zhí)行具有第二探測深度的差分路徑長度 光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第二光譜，其中所述第二探測深度大于所述第一探測深度，以及第三代碼段(83)，用于根據(jù)所述第一光譜與第一參考光譜的相 關(guān)計算來計算第一相關(guān)參數(shù)值并且根據(jù)所述笫二光譜與第二參考光譜 的相關(guān)計算來計算第二相關(guān)參數(shù)值，其中與所述第二相關(guān)值與所述第 一相關(guān)值表示所述組織的癌癥階段。
18. —種用于檢測患者組織中上皮癌的早期階段的方法(90)， 所述方法包括執(zhí)行具有第一探測深度的偏振光散射光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第一 光譜，執(zhí)行具有第二探測深度的差分路徑長度光譜學(xué)測量，從而產(chǎn)生第 二光譜，其中所述第二探測深度大于所述第一探測深度，以及根據(jù)所述笫一光語與笫一參考光譜的相關(guān)計算來計算第一相關(guān)參 數(shù)值并且根據(jù)所述第二光譜與第二參考光譜的相關(guān)計算來計算第二相 關(guān)參數(shù)值，其中與所述第二相關(guān)值有關(guān)的所述第 一相關(guān)值表示所述組 織的癌癥階段。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項的系統(tǒng)、計算機可讀介質(zhì)、或方 法的使用，以用于診斷和分期上皮早期癌變。
全文摘要
提供一種用于對病人的組織中的癌癥的早期階段進(jìn)行診斷和分期的系統(tǒng)(40)。該系統(tǒng)被配置為組合來自具有第一探測深度的偏轉(zhuǎn)光散射光譜學(xué)測量(70)與具有第二探測深度的差分路徑長度光譜學(xué)測量(60)，其中第二探測深度被設(shè)置為大于第一探測深度。通過比較偏振光散射光譜學(xué)與差分路徑長度光譜學(xué)測量的結(jié)果，可以檢測癌癥的早期階段，比如發(fā)育異常。還可以檢測增生、原位癌以及腫瘤。還提供一種計算機可讀介質(zhì)、方法和使用。
文檔編號A61B1/273GK101641043SQ200880008314
公開日2010年2月3日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者A·T·M·范戈夫, B·H·W·亨德里克斯, H·周, M·M·J·W·范赫彭 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司