內(nèi)窺醫(yī)用拉曼光譜解決方案
生物組織由細(xì)胞構(gòu)成,而細(xì)胞由蛋白質(zhì)、核酸、脂肪等拉曼信號(hào)較強(qiáng)的基本物質(zhì)構(gòu)成。疾病的產(chǎn)生往往伴隨組織和細(xì)胞的惡變,*早體現(xiàn)在蛋白質(zhì)、核酸、脂肪等基本構(gòu)成物分子結(jié)構(gòu)構(gòu)象或數(shù)量上的變化,但疾病初期這些變化的臨床癥狀和醫(yī)學(xué)影像表現(xiàn)往往并不明顯,因此對(duì)于初期癥狀不太明顯的病癥檢測(cè)仍需要尋求一些其他的技術(shù)手段和方法來實(shí)現(xiàn)早期診斷！
拿腫瘤檢測(cè)舉例，腫瘤的三種主要檢測(cè)方法為腫瘤標(biāo)志檢測(cè)、組織病理學(xué)診斷和影像學(xué)診斷[]。腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)易受個(gè)體差異以及某些良性疾病的影響，一般只能作為輔助手段；組織病理學(xué)診斷是腫瘤診斷臨床應(yīng)用上的“金標(biāo)準(zhǔn)”，該方法從組織和細(xì)胞尺度上進(jìn)行腫瘤 的診斷。組織病理學(xué)是一門非常復(fù)雜的學(xué)科，要求檢測(cè)人員具有豐富 的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)性要求較高，且診斷的時(shí)效差，屬于有創(chuàng)的診斷方式。影像學(xué)診斷一般借助熒光成像或者其他顯微成像技術(shù)，會(huì)引入外部標(biāo)記物，可能無法反應(yīng)正常的細(xì)胞環(huán)境。
拉曼光譜是一種分子診斷技術(shù)，在生物分子水平上顯示出組織病理學(xué)評(píng)估的前景，在過去的20年中，通過全面的體外研究，拉曼光譜的準(zhǔn)確診斷能力已經(jīng)積累了大量的證據(jù)。
拉曼光譜具有以下優(yōu)勢(shì)：
高特異性： 拉曼光譜對(duì)分子的特異性非常高，可以準(zhǔn)確識(shí)別不同生物分子，有助于對(duì)腫瘤組織和正常組織進(jìn)行區(qū)分。
非侵入性： 拉曼光譜無需破壞樣品，是一種非侵入性的檢測(cè)方法，可以在活體組織中進(jìn)行。
實(shí)時(shí)性： 拉曼光譜提供實(shí)時(shí)的分子信息，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)中組織的生物化學(xué)變化。
化學(xué)多樣性： 拉曼光譜可以同時(shí)檢測(cè)多種生物分子，包括蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等，提供了對(duì)生物組織化學(xué)構(gòu)成的全面了解。
無需標(biāo)記： 拉曼光譜無需對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記，避免了對(duì)生物體的額外處理，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程。
對(duì)水不敏感：水的拉曼信號(hào)較弱，所以細(xì)胞可以在水環(huán)境中成像，這意味著活細(xì)胞成像是可能的；
傳統(tǒng)的基于拉曼光譜的腫瘤診斷方法有體內(nèi)診斷和體外診斷。體外診斷通常采集腫瘤組織或癌細(xì)胞系、血液或血液成分、腫瘤標(biāo)志物（CTC）等原材料進(jìn)行拉曼光譜數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)多采用主成分分析－線性判別分析（ＰＣＡ－ＬＤＡ）等多變量統(tǒng)計(jì)分析方法來分析，著力尋找正常樣本以及不同分期的癌變樣本之間的光譜差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同腫瘤的診斷，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，已經(jīng)可以通過拉曼光譜診斷出不通過部位的惡性腫瘤（癌癥），如膀胱癌，腦癌、肺癌、食管癌等；但是這種光譜差異往往不是很明顯，只通過操作人員的經(jīng)驗(yàn)很難進(jìn)行腫瘤的分期判別；人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)算法引入，通過大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，讓算法自動(dòng)尋找差異并且判別是未來發(fā)展的趨勢(shì)。常規(guī)的體外診斷一般可以采用顯微共焦拉曼來進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)樣品的不同選擇合適的激發(fā)波長即可。
相比于體外診斷，利用拉曼探頭進(jìn)行體內(nèi)診斷的難度更大；主要體現(xiàn)在：
1、體內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)探頭的要求較高，需要一定的耐腐蝕設(shè)計(jì)；
2、由于信號(hào)較弱，并且信號(hào)需要通過光纖的形式輸出到光譜儀中，對(duì)探頭的收光能力要求較高；
3、由于探頭的收光能力一般比顯微系統(tǒng)中物鏡的收光能力差，所以對(duì)后端光譜儀的通光能力要求非常高。
4、跟內(nèi)窺鏡結(jié)合一般要求實(shí)時(shí)得到數(shù)據(jù)并且跟數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，給出組織的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以便給操作人員對(duì)應(yīng)的指導(dǎo)。
雖然困難重重，但是科研人員依舊取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。
案例1：巴雷特食管是食管腺癌的前兆，早期識(shí)別異型增生等高危病變對(duì)于提高患者生存率至關(guān)重要。用于診斷BE異型增生的傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡檢查受到診斷準(zhǔn)確性差和需要大量活檢取樣的限制，導(dǎo)致高昂的醫(yī)療成本和患者負(fù)擔(dān)。在新加坡進(jìn)行的研究涉及從373名具有不同組織學(xué)亞型的上消化道患者身上獲取體內(nèi)組織拉曼光譜，從而構(gòu)建了一個(gè)用于診斷BE異型增生的綜合拉曼庫，該系統(tǒng)允許在內(nèi)窺鏡檢查期間進(jìn)行實(shí)時(shí)、無創(chuàng)或微創(chuàng)光學(xué)活檢，以更高的精度針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)組織區(qū)域[]。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
案例2：炎癥性腸?。↖BD）影響著全球大量個(gè)體，區(qū)分潰瘍性結(jié)腸炎 （UC） 和克羅恩病 （CD） 缺乏金標(biāo)準(zhǔn)。研究人員介紹了一項(xiàng)使用拉曼光譜對(duì)炎癥性腸病 （IBD） 進(jìn)行臨床表征的研究，重點(diǎn)關(guān)注潰瘍性結(jié)腸炎 （UC） 和克羅恩病 （CD）。使用基于結(jié)腸鏡耦合光纖探針的拉曼光譜進(jìn)行了一項(xiàng)體內(nèi)研究，以識(shí)別UC和CD的光譜特征。通過使用統(tǒng)計(jì)技術(shù)分析收集到的光譜，他們開發(fā)了一種預(yù)測(cè)算法，在區(qū)分CD方面實(shí)現(xiàn)了90%的靈敏度和75%的特異性[]。
圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
案例3：如果在手術(shù)過程中沒有檢測(cè)到所有的癌細(xì)胞，手術(shù)作為-種癌癥治療的有效性就會(huì)降低，從而導(dǎo)致復(fù)發(fā)，對(duì)生存產(chǎn)生負(fù)面影響。為了在癌癥手術(shù)中*大限度地檢測(cè)癌細(xì)胞，研究人員設(shè)計(jì)了一種術(shù)中原位、無標(biāo)記、光學(xué)癌癥檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了固有熒光光譜、漫反射光譜和拉曼光譜。使用這種多模態(tài)光學(xué)癌癥檢測(cè)系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)腦癌、肺癌、結(jié)腸癌和皮膚癌可以在手術(shù)中原位檢測(cè)，其準(zhǔn)確性、靈敏度和特異性分別為97%、100%和93%。這種高靈敏度的光學(xué)分子成像方法可以深刻地影響廣泛的外科和無創(chuàng)介入腫瘤學(xué)的范圍程序，通過提高癌癥檢測(cè)能力，從而減輕癌癥負(fù)擔(dān)，提高生存率和質(zhì)量生活[]。
圖3 多模態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)
卓立漢光可以提供體外顯微共聚焦拉曼光譜儀， 也能提供醫(yī)用內(nèi)窺拉曼光譜儀。
顯微共聚焦拉曼光譜儀 finder930
Finder930全自動(dòng)化拉曼光譜儀在卓立經(jīng)典的共聚焦拉曼光譜儀的基礎(chǔ)上，新增了多種全新技術(shù)，非常適用于體外的組織拉曼成像診斷測(cè)試。：
1、采用針孔共聚焦設(shè)計(jì)，空間分辨達(dá)到500nm，軸向分辨<1um，極大程度抑制了非共聚焦點(diǎn)外的熒光或者其他背景干擾；
2、引入了高精度的自動(dòng)化電動(dòng)控制系統(tǒng)，智能控制激光切換、激光功率、共焦針孔大小，使設(shè)備更加智能，操作更加簡(jiǎn)單；
3、嚴(yán)苛的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，讓設(shè)備穩(wěn)定性大幅提升，開機(jī)即用，無需專人維護(hù)。
醫(yī)用內(nèi)窺拉曼光譜儀
醫(yī)用拉曼光譜儀基于我們代理的EMVISION 的內(nèi)窺拉曼探頭，結(jié)合自主研發(fā)的透射光譜儀和科研級(jí)制冷型CCD，超大的光通量可以保證盡可能的信號(hào)損失，超高的靈敏度可以保證極高的信噪比，光纖耦合，易于與內(nèi)窺鏡結(jié)合使用。
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拉曼光譜儀
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光譜儀結(jié)構(gòu)：VPH透射光柵光譜儀
激光激發(fā)波長：785 nm
拉曼頻移范圍：350 cm-1 to 2,400 cm-1
光譜儀入口狹縫：10um-6mm可調(diào)
光譜儀F/#通光口徑：f/2.3
光譜儀分辨率：優(yōu)于5cm-1
光譜儀接口：SMA/MPO/10mm圓柱 |
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光譜CCD
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具有高像元分辨率的CCD芯片，分辨率≥2000x256
可見近紅外拉曼專用CCD，量子效率在700nm-870nm區(qū)間處>90%，
深制冷溫度至-60C
讀出噪聲< 5電子/像元 |
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光纖拉曼探頭
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高靈敏度光纖探頭（內(nèi)窺版本）
Y型光纖，分為激光端，光譜儀端和樣品端。醫(yī)用尼龍包層，可直接用于皮膚，腦組織等生物樣品拉曼檢測(cè)。
激光端：FC/PC光纖接口，300um芯徑光纖，單芯
光譜儀端：**Snap-in即插即用接口，300um芯徑光纖，6芯，排成一行
樣品端：探頭尾部直徑<2.1mm，金屬部分長度6.5mm
樣品端包含785的干涉濾光片，785的高通濾光片，微透鏡，焦距500um
光纖總長度3米 |
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光纖拉曼探頭
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高靈敏度光纖探頭(非內(nèi)窺版本)
Y型光纖，分為激光端，光譜儀端和樣品端。醫(yī)用尼龍包層，可直接用于皮膚，腦組織等生物樣品拉曼檢測(cè)。
激光端:FC/PC光纖接口，300um芯徑光纖，單芯
光譜儀端:**即插即用接口，300um芯徑光纖，6芯，排成一行樣品端:手持部分約 100mm，探頭尾部直徑<2.1mm。
樣品端包含 785 的干涉濾光片，785 的高通濾光片，微透鏡，焦距 500um。
光纖總長度3米 |
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激光器
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光纖激光器，785nm，350mW，F(xiàn)C-PC接口，<0.15nm帶寬， |
Finder Insight Pro 系列小型激光拉曼光譜儀
Finder Insight Pro 系列小型激光拉曼光譜儀是經(jīng)過性能優(yōu)化的一款小型化的研究級(jí)拉曼光譜儀，它采用了科研級(jí)高靈敏度檢測(cè)器和大通光量的分光系統(tǒng)，可選配96孔測(cè)試板，配合軟件進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量操作。
1、單點(diǎn)測(cè)量與順序測(cè)量，單譜采集、連續(xù)采集、間隔采集等模式，用戶自由選擇；
2、可選配數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行未知樣品比對(duì)測(cè)量；
3、內(nèi)置電池，小巧輕便，可便攜攜帶；
參考文獻(xiàn)：
1、Qi Yafeng, Liu Yuhong, Liu Dameng. Research Progress on Application of Raman Spectroscopy in Tumor Diagnosis[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(22): 220001
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