基于太赫兹谱的胃癌组织特异信息检测与辨识研究

Based on the advantage that the vibrational levels of bio-macromolecules march within THz frequency range, and THz spectrum can reveal the special characteristics of cancerous tissue at the molecular level，the wave band of diagnosis on gastric cancer was expended from middle-infrared and near-infrared band to THz wave band.Correct Sample mode is selected by experiments to keep characteristics effectively.The spectra of Different layers components such as amino acid,protein,Total protein,cell strain,gastric tissue and cancerous tissues,are obtained by THz-TDS.The characters of THz time domain waveform and frequency domain waveform are selected to form characteristic sets,and used to explain mechanisms.The distinctive features of cancerous tissues and precancerous tissues are extracted,and proper pattern recognition method is used to finish early stage diagnosis of gastric cancer.The imaging equation of every element is studied to obtain gray-value, and digital image processing technology is used to get lesion areas of the fresh tissue. Using information of spectral signature and two-dimensional image, the potential of the application of early stage diagnosis of gastric cancer based on THz spectrum is shown.

利用生物大分子振动能级多数处于太赫兹波段的特点，将胃癌光谱研究中的检测频段从近中红外扩展到太赫兹波频段，研究揭示胃癌在太赫兹光谱下的特异信息，形成太赫兹光谱用于胃组织病变检测分析和胃癌诊断的理论基础。实验对比选择合适的样品制作方法，以保证太赫兹可辨特征的有效保留；利用THz 时域光谱系统(THz-TDS)采集胃癌组织不同层次成分的太赫兹光谱，通过特征辨识形成特征量集合，以用于解析癌变组织和正常组织太赫兹谱中差异特征的形成机理；研究胃癌组织及癌前各状态组织的THz 光谱，探寻癌变不同阶段的差异特征变化规律，结合模式识别技术建立早期胃癌诊断模型；最终为基于太赫兹波的胃组织检测尤其是早期胃癌诊断与评价新方法提供技术支持。

利用太赫兹时域光谱技术，对人体脱水胃部病变组织的太赫兹光谱开展研究，从光谱定性分析和基于支持向量机的光谱参数定量分析两个角度，对胃癌组织与正常组织进行了判别与区分，以验证太赫兹时域光谱技术应用于人体胃癌组织检测的可行性和有效性。研究的主要工作和成果如下： （1）设计了一款新型的样品仓和配套样品架，可减少实验过程中更换样品时 THz-TDS 系统内氮气泄漏，使系统内部的湿度（接近于0%）保持稳定，有效地提高了实验效率，降低了实验误差。 （2）利用太赫兹时域光谱技术对来自不同患者的脱水胃部组织样品进行定性研究。针对胃部正常和病变组织的太赫兹吸收谱特征信息，总结了胃癌组织光谱的定性特征依据；初步研究发现：①同一患者的正常组织与胃癌组织光谱有很大差别，能够明显区分；②不同患者正常组织光谱之间差别明显，但尚无共性；③不同患者的胃癌组织吸收谱都具有若干共同特征，疑似可作为判断胃癌组织的定性判据。此外，还结合生物组织癌变的病理学知识对光谱中出现的一些现象进行初步探讨，认为胃癌组织中结合水和色氨酸等含量的升高可能是造成胃癌组织光谱中吸收峰出现的原因。 （3）研究了基于支持向量机方法的胃癌组织与正常组织的判别方法，针对现有样本的实验结果实现了正常与病变组织的正确分类与判别，探索了基于太赫兹时域光谱的新的胃癌诊断技术。