空间分辨拉曼光谱技术对结直肠癌Fisher 344大鼠模型上皮组织癌症发生早期过程的分析

本项目使用偏振门控表面组织拉曼光谱和激光俘获单细胞拉曼光谱两种空间分辨光谱技术研究结直肠上皮黏膜癌前病变的生化机理，通过对Fisher 344 大鼠AOM结肠癌动物模型肿瘤发生发展过程中各时间点、各结肠段的拉曼光谱测量，建立拉曼光谱数据库；对癌变进程中的光谱变异进行定量分析，运用光谱分析的算法识别描述病变的光谱特征并建立光谱变异与正常组织→ACF→腺瘤→腺癌→侵润癌的病理过程中生化分子活动的联系，为其生化途径的推断提供光谱证据，并发现能以拉曼光谱检测的比ACF更早期的癌前病变生化标记物；对激光与结直肠组织的相互作用和光谱生成作精确数值计算，为表面组织拉曼光谱技术与结肠镜的结合和在临床中的应用提供理论和数值模型依据。

我们研究了偏振光子探测生物组织表面结构的深度选择性。在光子-组织相互作用的理论分析方面，我们采用麦克斯韦方程组的精确解，但这只能通过大型并行运算来实现对组织光学问题的求解。然而现有的数值计算技术因为对计算资源的高要求或对并行的低效率，无法实现求解。我们采用Yee网格、重叠区域划分技术和基于子域傅立叶基矢的快速傅立叶变换创造了一个新的时域伪谱算法，在分布式内存超级计算机上实现了对大尺度电磁模型计算的全部并行化。为与曙光5000A分布式超级计算机的硬件等级结构紧密结合，我们使用MPI-OpenMP混合编程技术实现了在两层次上的并行化，并编写了拥有全部知识产权的并行计算软件。.为了确认线偏振门控的探测深度，我们计算了线偏振在散射模型中的演变。精确结果显示蒙特卡罗预言存在显著误差，证明对表面组织光学的研究需要我们这一类的精确方法。.许多生物分子在圆偏振光照射下表现出手征特性。这导致我们对Mie散射媒介中圆偏振态演变进行研究。我们的工作显示：在实验中观察到的“记忆效应”的起源在于Mie散射的高度前向散射及其对圆偏振保偏的性质。并且，在光子入射媒介后的第一次背向散射带有螺旋度反转的特性，这可以提供一个仅对0.97自由程深度的表面层成像的新机制。.相干背散射（EBS）是内禀于复杂散射过程中的时间反演不变性的体现，起源于光子路径的自相干。由于生物样品的EBS峰过于尖锐，EBS并不能得到这方面的直接应用。我们分析了EBS峰的形成并严格征实该峰是由不同光子成分叠加组成，而不同成分对应不同的探测深度。其中顶层信号拥有宽的峰，呈现出线偏振的角度各项异性，这种各项异性带有散射结构的微观尺度信息，而偏振度的演变可以由引进的两个参数来刻画。.在实验方面，我们研制成功采用线偏振门控来选择探测表面组织拉曼光谱的装置。在装置中，785纳米的线偏振激发光入射到样品表面，偏振方向与激发光偏振相平行和垂直的拉曼信号经检偏后由CCD光谱仪收集记录。对生物组织样品的实验表明，平行偏振信号减去垂直偏振信号后可以得到纯粹来自表面组织结构的拉曼信号，从而实现对表面组织与深层组织拉曼信号的分离。