太赫兹光谱技术用于妇科癌瘤诊断研究

Fast, non-invasive, and unharmful diagnostic techniques for cancer and tumor are important to prevent and cure cancers. This project will implement a systematical study of cancer diagnosis and modeling by using terahertz (electromagnetic radiation between 0.03 mm - 3 mm) techniques combined with chemometrics. This study will include (1) terahertz measurement of cancer and tumor tissues; (2) establishing 2-3 feature extraction methods for terahertz spectra of cancers; and (3) establishing 2-3 diagnosis models based on terahertz spectra and validating the models statistically. The combination of terahertz and chemometrics will provide wide development for both terahertz technique and chemometrics. The goal of this project is to provide experimental and scientific supports for biological detection, and furthermore, to establish foundation for terahertz clinical diagnosis device and biomedical studies. The results of this project will significantly help the application of terahertz technique to life science and the development of novel early stage diagosis technique for cancer and tumors.

快速、非侵入和无伤害的癌瘤组织诊断新技术对于人们预防和治疗癌症是非常重要的。本项目拟采用太赫兹（Terahertz，0.03 mm～3 mm间的电磁辐射）技术结合化学计量学对妇科癌瘤组织的诊断方法及诊断模型的建立与验证进行系统的研究。本项目的主要研究内容包括：（1）太赫兹光谱技术测量癌瘤组织的方法；（2）建立2-3种癌瘤组织太赫兹光谱的特征提取方法；（3）建立2-3种适合太赫兹光谱技术进行癌瘤鉴定的分类模型，并对其进行统计学验证。本项目的创新点是把太赫兹光谱和成像技术与化学计量学相结合，为太赫兹技术的发展提供支撑，为化学计量学新方法的研究与应用提供更广阔的领域。本项目的目标是为太赫兹技术检测生物组织样本提供实验依据和科学支持，为进一步利用太赫兹技术开展生物医学科学研究和发展临床使用的太赫兹检测设备奠定基础。研究结果对太赫兹技术在生命科学中的应用和癌瘤早期诊断新技术的开发将具有重要的帮助。

太赫兹（Terahertz, THz）波是指位于微波与红外线之间频段（0.03 mm-3 mm）的电磁波。太赫兹频段是电磁波中由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域，具有重要的科学研究价值和应用价值。由于太赫兹波的光子能量只有X射线光子能量的百万分之一，不会对活体生物组织产生有害的光致作用，因而特别适合于活体组织和细胞的检测。太赫兹技术（包括太赫兹成像与太赫兹光谱）可望成为新一代的医学诊断检测系统。本项目对太赫兹光谱技术在癌组织诊断和生物医药检测方面的应用进行了系统的研究。. 本项目的研究工作主要包括以下几个方面：（1）对子宫颈癌组织的太赫兹吸收光谱进行变量筛选，模型优化，模型验证，得到四种癌组织诊断方法。我们分别采用一种模糊规则专家系统（Fuzzy Rule-based Expert System, FuRES）和一种模糊优化联想记忆网络（Fuzzy Optimal Associative Memory, FOAM）方法对妇科宫颈癌样本的诊断鉴别进行了系统的研究，取得了满意的结果。我们还对宫颈癌组织样品的太赫兹光谱经过主成分正交信号校正（PC-OSC）预处理后，分别使用支持向量机（SVM）和偏最小二乘（PLS）建立分类诊断模型，分类正确率均在93%以上。（2）我们研制开发了一个基于浏览器/服务器（Browser/Server）技术的太赫兹光谱数据库。该数据收集了240多条太赫兹光谱数据，该数据库系统可持续更新和完善。我们开发了一套太赫兹光谱解析软件，该软件具有光谱数据预处理和建模的全面功能，为太赫兹光谱技术的扩大应用于更多的实际问题奠定了技术基础。（3）基于太赫兹时域光谱技术与化学计量学的结合，建立了多种采用太赫兹时域光谱技术对同分异构氨基酸和糖的分析方法。我们针对粮食中农药分析检测的要求，探讨了利用THz-TDS对粮食中吡虫啉等农药分析的方法。我们采用粮食基体进行测试方法研究，这样更具有实际意义。利用测得的太赫兹时域光谱计算出吸收系数，利用化学计量学方法对重叠光谱进行解析和建模。我们的研究工作表明，THz-TDS结合化学计量学方法在二组分、三组分的混合氨基酸和同分异构有机化合物分析中得到满意的结果。. 在此基金工作的基础上，利用太赫兹光谱技术对手性分子的分子间作用研究和分析工作仍在进行中。