共聚焦模式下的生物组织拉曼散射作用机理及其光谱信息重构研究

The detection and localization of tumors at their early stage is extremely crucial for the prevention and treatment cancer. Confocal Raman spectroscopy (CRS) is a promising technique in detecting and localizing human tumor tissues. Compare to routine diagnosing method in clinic, this technique is real-time, non-invasive, sensitive and quantitative and could be used in clinical measurements. In this proposal, we present a detail study on tissue-optical mechanism of CRS used in in vivo and in vitro measurements, experimentally and theoretically. Based on the achievements of previous research work, the optical properties of human skin are studied by experimental and theoretical methods, and multi-layered optical models of skin tissue, based on the anatomical studies and the measurement condition for CRS, are built to investigate the tissue material basis of spectral measurements. Based on the Radiative Transport Theory, Monte Carlo method is optimized to illustrate the mechanism of the photon-tissue interaction during confocal Raman scattering with general applicability and accuracy. Combined with in vivo and in vitro experiments, the spectral information, which includes the spectral curve and image, was re-constructed by the optimized Monte Carlo method, so as to describe the different contribution to measured spectra from inhomogeneous Raman scatter distribution in tissue. And also, the re-constructed spectra information will give a clue to clinical and experimental applications of CRS by illustrate the relationship between the state of tissue lesion and the results of spectra measurements. With all of these studies, we intend to give a systematic insight and reasonable interpretation on CRS and its usage in clinical detection of tumor.

肿瘤的早期检测与定位是预防与治疗癌症的关键，利用共聚焦拉曼光谱技术判别人体组织的病变状态，能够实现肿瘤组织的实时、无损、灵敏和定量的在体检测。本项目在前期研究工作基础上，针对不同生物条件的皮肤样品，实验测量并理论分析其各层组织的光学特性，研究共聚焦拉曼光谱检测的物质基础，并构建符合生物解剖结构与共聚焦拉曼光谱实验条件的人体皮肤组织光学模型；从辐射传输理论出发，建立具有普遍适用性和精确性的理论模型，分析光学共聚焦模式下光与生物组织相互作用产生拉曼散射的生物光学机理；结合离体/在体实验研究结果，理论重构皮肤组织共聚焦拉曼光谱信息（光谱曲线与光谱图像），分析光谱检测结果与组织病变状态之间的微观联系，掌握生物组织结构复杂性对光谱检测结果带来的影响机理。最终，从生物组织的物质基础和生物光学机理上，深入了解并合理解释共聚焦拉曼光谱检测技术，并为将该技术推广应用于临床癌症的早期诊断提供理论和技术支撑。

自2015年1月承担国家自然科学基金青年项目——“共聚焦模式下的生物组织拉曼散射作用机理及其光谱信息重构研究”（项目批准号：11404258）以来，课题研究团队针对目前共聚焦拉曼光谱在生物医学领域中所面临的瓶颈性问题，结合研究团队技术优势与知识背景，通过与陕西省内医学研究机构开展合作研究，从生物样品制备、实验步骤、数据预处理、光谱特性分析、多种图像分析手段等方面，建立了规范化的实验方法。在此前基础上，研究团队利用共聚焦拉曼光谱成像技术，阐述了人体皮肤组织组成信息及其鳞状细胞癌变的病理变化机制问题；定量、定性、定位分析了重大致残性疾病——脊髓损伤——病理变化过程中生化组成与分布特征；以图谱结合的方式描述了弱激光促进脊髓损伤修复的作用机理；开展了骨组织拉曼光谱与光谱图像实验研究工作。研究过程中，重点考察不同生物化学组织及其分布对生物组织病理变化与治疗过程所产生的影响，着重强调生物组织结构不均匀性和化学成分复杂性为临床共聚焦拉曼光谱检测带来的不确定因素，目标诠释重大恶性疾病发生、发展与治疗过程中所涉及的生物化学变化机制问题。研究工作具体包括：构建符合生物解剖结构与共聚焦拉曼实验条件的组织光学模型，描述组织共聚焦拉曼光谱检测物质基础；探索具有普遍适用性和精确性的实验研究方法，建立并完善了共聚焦模式下拉曼散射的生物光学研究方法与数据分析手段;综合分析光学共聚焦模式下拉曼散射光子与生物组织的相互作用，实验重建激光共聚焦拉曼光谱信息，分析生物组织结构与成分差异对临床光谱检测、病理特征、治疗方式等产生的影响，为将共聚焦拉曼光谱诊断技术推广应用于临床重大恶性疾病早期诊断、病理特征及疗效评估分析提供理论与技术支撑。通过本项目的研究工作，项目团队共发表SCI检索期刊论文5篇；发表EI检索期刊论文2篇；发表核心期刊1篇；发表会议论文3篇；授权发明专利2项；项目承担人以口头报告的形式参加6次国内学术会议，并与国内外多所实验室建立长期稳定的合作关系。综上所述，本课题相关研究工作已达到预期研究目标，不但圆满完成了既定任务，并为后续工作的开展奠定了扎实的基础。