吳 敏，張偉濤，田沛榮，凌曉鋒，徐 智

北京大學(xué)第三醫(yī)院普外科，北京 100191

正常人體甲狀腺體表傅里葉紅外光譜圖的特征分析

吳 敏，張偉濤，田沛榮，凌曉鋒，徐 智*

北京大學(xué)第三醫(yī)院普外科，北京 100191

應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)并聯(lián)合衰減全反射(ATR)探頭經(jīng)體表方式測(cè)定120名健康受試者的雙側(cè)甲狀腺，由此獲得240張正常人體甲狀腺體表傅里葉紅外光譜圖；通過(guò)分析比較正常人體左右兩側(cè)甲狀腺體表紅外光譜12個(gè)譜帶的峰位、相對(duì)峰強(qiáng)及半高寬等35個(gè)FTIR光譜參數(shù)以探討雙側(cè)甲狀腺體表紅外光譜有無(wú)差異；同時(shí)明確甲狀腺體表紅外光譜中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸和糖類等生物化學(xué)成分相應(yīng)特征吸收峰的變異特征。結(jié)果表明：正常人體左右兩側(cè)甲狀腺體表紅外光譜圖大體趨于一致，僅F1 640P2 920P1 040和I2 920/I1 460，4個(gè)光譜參數(shù)差別存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；并計(jì)算得到一系列正常人體甲狀腺體表傅里葉紅外光譜特征譜帶光譜參數(shù)的90%正常參考值范圍及繪制出能充分代表正常人體甲狀腺基本特征的標(biāo)準(zhǔn)平均紅外光譜圖，進(jìn)一步為傅里葉變換紅外光譜應(yīng)用于臨床甲狀腺疾病診斷提供參考。

傅里葉變換紅外光譜；正常人體甲狀腺；參考值范圍；標(biāo)準(zhǔn)

引 言

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)因其能夠從分子水平反應(yīng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)化學(xué)和數(shù)量變化而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域的實(shí)踐和研究。在生物醫(yī)學(xué)上，構(gòu)成人體組織細(xì)胞的生物化學(xué)成分主要包括核酸、蛋白質(zhì)、脂類、糖類等。研究證明這些化學(xué)成分在傅里葉變換紅外光譜中存在相應(yīng)的特征振動(dòng)吸收峰[1-2]，而這些化學(xué)成分在結(jié)構(gòu)和數(shù)量上的變化將引起其在光譜中相應(yīng)吸收峰的峰位和峰強(qiáng)等參數(shù)改變。眾多研究者利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)來(lái)研究其能否用于人體疾病的診斷和鑒別診斷，特別在腫瘤良惡性的鑒別診斷方面如乳腺[3]、肺、結(jié)直腸[4]、膀胱[5]的腫瘤研究表明傅里葉紅外光譜技術(shù)對(duì)于腫瘤良惡性的診斷與鑒別診斷具有一定的應(yīng)用價(jià)值。而在人體甲狀腺疾病方面，研究者主要集中研究了甲狀腺腫物的離體、在體組織或體表甲狀腺FTIR光譜的差異[6]，卻并未對(duì)正常人體甲狀腺組織紅外光譜中上述各種生物化學(xué)成分的特征吸收峰的各項(xiàng)參數(shù)自身存在正常變異進(jìn)行認(rèn)識(shí)。而準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)正常甲狀腺組織紅外光譜中各特征參數(shù)的變異和自身特征對(duì)指導(dǎo)傅里葉紅外光譜技術(shù)研究人體甲狀腺良惡性疾病的鑒別診斷和傅里葉紅外光譜在甲狀腺疾病未來(lái)中的臨床實(shí)際應(yīng)用均具有重要的意義。本研究擬通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀并聯(lián)合衰減全反射(ATR)探頭檢測(cè)健康受試者獲得大量正常人體甲狀腺體表傅里葉紅外光譜圖，分析比較人體左右兩側(cè)的正常甲狀腺體表傅里葉紅外光譜圖的特征，并分析正常人體甲狀腺體表傅里葉紅外光譜圖的各種特征吸收峰的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

實(shí)驗(yàn)采用WQF-660 型傅里葉變換紅外光譜儀(北京瑞利分析儀器有限公司，光纖長(zhǎng)度1.2 m，彎曲半徑可達(dá)20 cm)、MCT檢測(cè)器(美國(guó)Infrared Associates公司生產(chǎn))及衰減全反射探頭(北京瑞利精益實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司生產(chǎn))。

1.2 健康受試者來(lái)源

2012年10月至2015年3月，通過(guò)粘貼廣告等形式招募健康受試者120名加入本實(shí)驗(yàn)。要求受試者無(wú)惡性腫瘤及各種甲狀腺疾病病史，且經(jīng)北京大學(xué)第三醫(yī)院普通外科醫(yī)生查體判斷甲狀腺無(wú)異常及B超檢查報(bào)告無(wú)甲狀腺疾病。受試者平均年齡40.8歲(最小24 歲，最大70歲)，男女比例為16∶104。本研究經(jīng)北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)(項(xiàng)目編號(hào):IRB00001052-11034) 和北京大學(xué)第三醫(yī)院倫理委員會(huì)( 項(xiàng)目編號(hào):2008016) 批準(zhǔn)。所有受試者在實(shí)驗(yàn)前均征得本人同意并簽署知情同意書。

1.3 FTIR掃描檢測(cè)

為避免無(wú)關(guān)因素干擾，檢測(cè)前分別使用醫(yī)用70%酒精分別清潔衰減全反射探頭及受試者頸部左右兩側(cè)待測(cè)部位皮膚，待其風(fēng)干后將探頭緊貼于甲狀腺左右兩側(cè)皮膚進(jìn)行傅里葉紅外光譜測(cè)定。光譜測(cè)定范圍為3 100～900 cm-1，分辨率為8 cm-1，每次光譜測(cè)定共掃描受試部位32次，并將32條光譜擬合成具有最佳信噪比的紅外吸收光譜作為受試者最終光譜。每次光譜掃描前記錄背景光譜并將其從最終光譜扣除以消除周圍環(huán)境對(duì)光譜檢測(cè)的影響。

1.4 光譜數(shù)據(jù)分析

共獲得健康受試者240(120×2)條FTIR體表光譜。使用Spa Pro V2.2 軟件(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院編寫)對(duì)每條FTIR光譜進(jìn)行平滑校正等處理并計(jì)算每條光譜中與核酸磷酸基團(tuán)、蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ、Ⅱ帶等相關(guān)特征基團(tuán)的峰位(P)、峰強(qiáng)(I)、半高寬(F)。由于FTIR光譜波數(shù)為1 460 cm-1處的峰強(qiáng)最為穩(wěn)定，因此計(jì)算光譜其余峰強(qiáng)與該處的峰強(qiáng)比值獲得相對(duì)峰強(qiáng)。比較健康受試者左右兩側(cè)甲狀腺的各項(xiàng)FTIR參數(shù)有無(wú)差異，若無(wú)差異則計(jì)算FTIR光譜有關(guān)特征基團(tuán)的峰位(P)、峰強(qiáng)(I)、半高寬(F)及相對(duì)峰強(qiáng)的95%正常變異范圍。對(duì)所有光譜參數(shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)及方差齊性檢驗(yàn)。對(duì)于正態(tài)分布數(shù)據(jù)采用配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，非正態(tài)分布數(shù)據(jù)采用Wilcoxon配對(duì)符號(hào)秩和檢驗(yàn)。分析結(jié)果正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。各參數(shù)90%正常變異范圍計(jì)算均采用百分位法。所有數(shù)據(jù)均使用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。所有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)均采用雙側(cè)檢驗(yàn)，以p<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 人體甲狀腺體表FTIR光譜各特征峰的譜帶屬性

2.2 健康受試者甲狀腺左右兩側(cè)的FTIR體表光譜參數(shù)比較

人體甲狀腺可分為左右兩葉，中間以峽部連接，本研究按配伍設(shè)計(jì)資料比較分析健康受試者甲狀腺左右兩側(cè)的體表FTIR光譜特征參數(shù)，所得結(jié)果如表2和表3所示。從表中可知，僅F1 640，P2 920，P1 040和I2 920/I1 460，4個(gè)FTIR體表光譜參數(shù)的差別存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而其余31個(gè)光譜參數(shù)的差別無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。F1 640代表的某類蛋白質(zhì)、P1 040代表的糖類、P2 920和I2 920/I1 460則代表的脂類在左右兩側(cè)甲狀腺的結(jié)構(gòu)或含量不完全一致；但由于與細(xì)胞生命核心物質(zhì)核酸有關(guān)的譜帶1 025和1 080 cm-1卻并不存在差異，同時(shí)存在差異的光譜參數(shù)占所有光譜參數(shù)的比例僅為4/35，因而提示健康受試者甲狀腺左右兩側(cè)的FTIR體表光譜存在細(xì)微差異，但大體上趨于一致，結(jié)果與人體甲狀腺左右兩側(cè)具有類似的局部解剖結(jié)構(gòu)與組織結(jié)構(gòu)相吻合。

表1 正常甲狀腺體素紅外譜特征譜帶指認(rèn)

Table 1 Preliminary assignments of characteristic bands of the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland

Peakposition/cm-1VibrationsofthegroupsReferencesubstances2920νasCH2Lipid2855νasCH2Lipid1743νsCO Lipid1640AmideⅠbandProtein1550AmideⅡbandProtein1460δC—HLipid1400δC—H，δC—O—HLipid1250νasPO-2Nucleicacid1160νC—O，δC—O—H，δC—O—CCarbohydrate1120νC—O，δC—O—H，δC—O—CCarbohydrate1080νsPO-2Nucleicacid1040νC—O，δC—O—H，δC—O—CCarbohydrate

νas: Asymmetric stretching vibration；νs: Symmetric stretching vibration;δ: Bending vibration

表2 正常甲狀腺左右兩側(cè)體表紅外光譜特征參數(shù)比較(正態(tài)分布參數(shù)部分)

Table 2 Parameter comparison between the left and right surface FTIR spectra of normal human thyroid gland (normal distribution data)

VariablesMeandifference±SDStatisticofthepairt?testdfPF164023 94±18 1314 4601190 000?F14000 37±5 680 7161190 475F10800 18±6 380 3111190 756I1743/I1460-0 3±0 27-1 2921190 199I1640/I1460-0 28±1 63-1 8831190 062I1550/I1460-0 17±1 15-1 6331190 105I1400/I1460-0 02±0 31-0 0781190 435

F: the width at half maximum of unique absorbent bands;Ix1/Ix2: the relative peak intensity, *indicates thatp<0.05

2.3 健康受試者正常甲狀腺FTIR體表光譜參數(shù)的特征

傅里葉紅外光譜技術(shù)用于人體甲狀腺腫瘤良惡性鑒別診斷的諸多研究表明紅外光譜技術(shù)對(duì)于人體甲狀腺相關(guān)疾病的診斷與鑒別診斷具有一定的應(yīng)用價(jià)值；但無(wú)論是對(duì)術(shù)后人體甲狀腺離體組織的紅外光譜分析[9-10]，還是對(duì)術(shù)前人體甲狀腺的體表光譜分析[11]，都僅局限于對(duì)良性與惡性甲狀腺疾病之間光譜特征參數(shù)差異的比較與分析，試圖找出兩類甲狀腺疾病在紅外光譜上的差別以期為傅里葉紅外光譜技術(shù)的實(shí)際臨床應(yīng)用做理論準(zhǔn)備，卻并未對(duì)人體正常甲狀腺的紅外光譜的各項(xiàng)特征參數(shù)進(jìn)行深入的認(rèn)識(shí)。任何一項(xiàng)醫(yī)學(xué)指標(biāo)要真正實(shí)現(xiàn)在臨床疾病診斷方面應(yīng)用，首先應(yīng)該對(duì)正常人體的該指標(biāo)進(jìn)行透徹的分析，而傅里葉紅外光譜技術(shù)也不例外。本研究通過(guò)分析健康受試者甲狀腺的體表FTIR 圖譜(240張)存在的12個(gè)特征光譜譜帶的特征及計(jì)算其90%參考值范圍，試圖建立一個(gè)能夠代表人體正常甲狀腺特征的標(biāo)準(zhǔn)的傅里葉紅外光譜圖，同時(shí)對(duì)正常甲狀腺紅外光譜各項(xiàng)特征參數(shù)的正常變異范圍進(jìn)行界定，為后期人體甲狀腺紅外光譜研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。結(jié)果如表4和表5所示。同時(shí)繪制正常甲狀腺平均光譜圖如圖1和圖2所示，圖1共有10個(gè)特征譜峰，圖2有2個(gè)特征譜峰。

表3 正常甲狀腺左右兩側(cè)體表紅外光譜特征參數(shù)比較(非正態(tài)分布參數(shù)部分)

Table 3 Parameter comparison between the left and right surface FTIR spectra of normal human thyroid gland (non-normal distribution data)

VariablesStatisticofthepairWilcoxontestPP2920-2 1850 029?P2855-1 5840 113P1743-0 2580 796P1640-0 6450 519P1550-0 7780 436P1460-0 0180 985P1400-0 6580 510P1250-1 3740 169P1160-1 0910 275P1120-0 5470 584P1080-0 6200 535P1040-2 2140 027?F2920-1 7460 081F2855-0 3010 763F1743-0 6770 498F1640-0 4510 652F1550-0 5590 576F1250-0 6420 521F1160-1 1660 244F1120-1 8410 066F1040-1 3560 175I2920/I1460-2 6740 007?I2855/I1460-0 4350 664I1250/I1460-0 1680 867I1160/I1460-0 0710 944I1120/I1460-0 8300 406I1080/I1460-0 5130 608I1040/I1460-1 2490 212

P: the unique peak positions;F: the width at half maximum of unique absorbent bands ;Ix1/Ix2: the relative peak intensity, *indicates thatp<0.05

圖1 正常甲狀腺體素平均紅外光譜(1 750～1 000 cm-1)

表4 正常甲狀腺體表紅外光譜特征峰位和半高寬的90%參考值范圍

Table 4 90% normal reference range of the unique peak positions(cm-1) and the width at half maximum of unique absorbent bands of the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland

VariablesMean±SD90%normalreferencerangeP29202920 06±1 882915 80～292360P28552854 24±10 592850 30～2883 65P17431747 81±1 501739 50～1743 30P16401643 53±1 291643 10～1646 90P15501541 56±2 161538 90～1542 80P14601458 20±1 561457 90～1461 80P14001403 79±4 291400 10～1407 80P12501240 85±16 231234 20～1253 50P11601162 74±5 251149 59～1168 70P11201112 26±4 711106 90～1118 50P10801074 13±6 041068 40～1083 80P10401029 11±4 161033 70～1045 20F292031 38±10 5425 43～35 07F285522 42±4 7519 00～25 80F174314 76±0 7713 70～15 79F164049 98±16 7643 00～56 02F155025 44±1 4323 30～27 19F146026 81±1 5424 50～28 80F140038 01±5 0731 01～46 29F125054 34±28 9334 71～117 09F116021 26±4 3912 91～26 60F112014 85±2 688 11～17 30F108013 86±4 295 51～23 10F104022 12±2 9216 40～25 50

P: the unique peak positions;F: the width at half maximum of unique absorbent bands

表5 正常甲狀腺體表紅外光譜特征峰強(qiáng)和相對(duì)峰強(qiáng)的90%參考值范圍

Table 5 90% normal reference range of the unique peak intensities(a.u.) and its relative peak intensities of the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland

VariablesMean±SD90%normalreferencerangeI29200 17±0 080 51～0 32I28550 10±0 050 03～0 18

續(xù)表5

I17430 04±0 030 00～0 09I16400 23±0 090 08～0 37I15500 16±0 070 05～0 26I14600 04±0 030 01～0 07I14000 04±0 030 01～0 07I12500 04±0 020 01～0 05I11600 01±0 020 00～0 03I11200 02±0 020 01～0 06I10800 03±0 020 01～0 06I10400 05±0 030 01～0 10I2920/I14604 41±1 183 02～5 84I2855/I14602 64±0 871 55～3 78I1743/I14600 81±0 570 10～1 70I1640/I14606 15±2 412 73～9 70I1550/I14604 41±1 721 87～7 17I1400/I14601 06±0 470 40～1 79I1250/I14600 95±0 360 47～1 61I1160/I14600 27±0 210 00～0 63I1120/I14600 64±0 440 13～1 51I1080/I14600 75±0 060 20～1 52I1040/I14601 27±0 740 45～2 44

I：the peak intensity；Ix1/Ix2：the relative peak intensity

3 結(jié) 論

圖2 正常甲狀腺體表紅外光譜(3 100～2 800 cm-1)

應(yīng)用傅里葉紅外光譜技術(shù)聯(lián)合衰減全反射探頭對(duì)120名健康受試者體表左右兩側(cè)甲狀腺進(jìn)行檢測(cè)后對(duì)人體左右兩側(cè)正常甲狀腺體表FTIR光譜圖比較分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)甲狀腺體表FTIR光譜大體一致，部分光譜特征參數(shù)存在細(xì)微的差異，結(jié)果與人體甲狀腺兩側(cè)具有類似的組織結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境基本吻合，這為單側(cè)甲狀腺疾病的進(jìn)一步紅外光譜研究具有重要意義。同時(shí)分析了人體正常甲狀腺的體表紅外光譜各項(xiàng)特征參數(shù)的正常變異范圍并獲得正常人體甲狀腺體表的標(biāo)準(zhǔn)平均紅外光譜圖，這為紅外光譜技術(shù)在人體甲狀腺疾病方面的研究建立了良好的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)照，甚至為最終實(shí)現(xiàn)紅外光譜技術(shù)在臨床疾病診斷方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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*Corresponding author

(Received Jun. 23, 2015; accepted Nov. 18, 2015)

Characteristics Analysis of the Thyroid Gland Surface of Normal Human with Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectra

WU Min, ZHANG Wei-tao, TIAN Pei-rong, LING Xiao-feng, XU Zhi*

Department of General Surgery, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China

In order to obtain 240 cases of the surface Fourier transform infrared (FTIR) spectra of normal human thyroid gland, 120 healthy volunteers were enrolled in this study and scanned by using two mid-infrared optical fibers equipped with an attenuated total reflectance (ATR) to probe through the skin of two lobes of thyroid gland. Then whether there were differences between the surface FTIR spectra of the right lobe and that of the left part of the normal human thyroid gland was explored by comparing the 35 variables of 12 bands, including peak positions, relative intensity ratios and full width at half maximum of FTIR spectrums. Also the spectra characteristics of unique absorbent bands that represent changes of structure and quantity of variance biochemical substances such as nucleic acids, proteins and carbohydrates were illustrated. Results indicated that the surface FTIR spectra of the right part and that of the left part of the normal human thyroid gland were generally coincided, with statistically significant differences in four spectrum parameters, includingF1 640,P2 920,P1 040andI2 920/I1 460. A series of data about the 90% normal reference range of the unique spectrum parameters in the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland was gained, and a standard average infrared spectrogram which can fully represent the basic features of normal human thyroid gland was plotted. The conclusions above could be used as a reference for clinical diagnosis of thyroid diseases with FTIR spectroscopy.

Fourier transform infrared spectra; Normal human thyroid gland; Normal reference range of the unique parameters; Standard

2015-06-23，

2015-11-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)-北京大學(xué)臨床研究項(xiàng)目(PUCRP201105)資助

吳 敏, 1991年生, 北京大學(xué)第三醫(yī)院普外科碩士研究生 e-mail: wm13366621237@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: xuzhi123456@sohu.com

O657.3

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10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3092-05