薛彥柏，趙月梅，姚柳葉，李韙韜，錢志余

南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，南京市，211106

0 引言

宮頸癌是一種具有50%致死率的婦科惡性腫瘤，為全世界第4大常見疾病，每年估計有50多萬婦女受該病侵害[1-2]。我國每年約有13萬例女性發(fā)生該病，約5.3萬例死亡[3]。近年來宮頸癌患者逐年增多且年輕化趨勢明顯，而作為一種早期可預(yù)防和治療的疾病，宮頸癌的早期篩查意義重大[4]。目前宮頸癌的組織學(xué)早期類別包括：宮頸上皮內(nèi)瘤樣變1級（CIN1）、宮頸上皮內(nèi)瘤樣變2級（CIN2）、宮頸上皮內(nèi)瘤樣變3級（CIN3）和原位癌（CIS）。臨床常用的篩查方法主要有肉眼觀察法、細(xì)胞學(xué)檢測、HPV-DNA檢測、電子陰道鏡檢查及組織病理學(xué)檢查等。這些檢測方法或者由于主觀因素，或者由于漏檢導(dǎo)致一定的誤判。

光譜技術(shù)由于無創(chuàng)、實時、原位等優(yōu)點，成為癌癥篩查的潛在方法[5]。漫反射光譜技術(shù)是一種可以直接量化組織吸收和散射特性的光學(xué)技術(shù)。異常組織細(xì)胞由于核大小、核周期、核質(zhì)比、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和血管生成及分化等形態(tài)異常變化，吸收和散射特性發(fā)生改變，為光譜篩查技術(shù)提供了依據(jù)。2002年Irene等利用內(nèi)在熒光、漫反射和光散射三種光譜技術(shù)同時施行，證明了這三種光譜作為子宮頸鱗狀病變的敏感和特異性檢測工具的潛力[6]。2005年Nena等利用漫反射光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，癌前組織的漫反射光譜強(qiáng)度均比正常弱，血紅蛋白的光吸收率和特定波長的斜率對分類的貢獻(xiàn)具有相關(guān)性，利用特征參數(shù)對宮頸癌早期分期準(zhǔn)確率很高[7]。研究證明，漫反射光譜法具有區(qū)分癌前組織早期類別和正常組織的潛力。

我們利用光纖光譜儀和虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計了一種宮頸癌變組織漫反射光譜檢測與分析系統(tǒng)，能夠智能采集數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，分析計算光譜特征并利用特征建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了對宮頸正常組織和癌變組織的檢測和分析。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

宮頸癌變組織漫反射光譜檢測與分析系統(tǒng)硬件原理如圖1所示。系統(tǒng)主要包括成像子系統(tǒng)和光譜檢測子系統(tǒng)。成像子系統(tǒng)由白光光源、CCD相機(jī)、聚焦鏡頭、定制內(nèi)窺鏡及光纖聯(lián)合探頭組成。光譜檢測子系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光譜儀、定制內(nèi)窺鏡及光纖聯(lián)合探頭組成。身份證讀卡器用于快速采集身份信息，服務(wù)器用于存儲身份信息、圖像信息和光譜信息。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System schematic diagram

1.2 成像子系統(tǒng)

成像子系統(tǒng)由LED白光光源發(fā)出照射光，經(jīng)組織反射后通過聯(lián)合探頭（定制）的光線束傳播到聚焦鏡頭，由一個12位CCD相機(jī)（GS3-U3-51S5M-C，PointGrey，加拿大）采集并顯示在上位機(jī)軟件界面。內(nèi)窺鏡及光纖聯(lián)合探頭是由南京玻璃纖維研究院定制，內(nèi)窺鏡的光傳播通過光纖束進(jìn)行，經(jīng)由調(diào)焦螺旋和聚焦鏡頭傳給CCD相機(jī)。

圖2給出了系統(tǒng)的實物圖。其中圖2(a)為成像系統(tǒng)實物圖，按照光傳播方向依次為聯(lián)合探頭、聚焦螺旋、聚焦鏡頭、CCD相機(jī)。

1.3 光譜檢測子系統(tǒng)

光譜檢測子系統(tǒng)包括光源、光譜儀以及光纖聯(lián)合探頭的雙光纖部分，如圖2(b)所示。光源采用的是復(fù)享光學(xué)（上海）HL-2000型光源，為組織漫反射提供360～2 500 nm的寬帶鹵素光源。光譜儀為復(fù)享光學(xué)FX-2000高速光纖光譜儀，積分時間可以通過程序調(diào)整，最小為1 ms，采集波長范圍為200～1 100 nm，波長分辨率最高可達(dá)0.1 nm，其信噪比高，傳輸速度快。光譜儀和光源通過一小段雙光纖連接到外殼如圖2(b)所示，光纖通過適配器與聯(lián)合探頭組合。光纖直徑為200 μm，在聯(lián)合探頭檢測端，雙光纖源探距離為400 μm。

圖2 系統(tǒng)整體實物圖Fig.2 System overall physical figure

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件結(jié)構(gòu)及界面

采用NI公司提供的LabWindows/CVI虛擬儀器平臺進(jìn)行程序開發(fā)和設(shè)計。以C語言為開發(fā)語言，利用光譜儀、CCD相機(jī)和身份證號讀卡器提供的二次開發(fā)工具包進(jìn)行硬件驅(qū)動加載，采用多個線程同時進(jìn)行光譜采集、圖像采集、數(shù)據(jù)庫管理、模型構(gòu)建處理，以提高CPU利用率。本軟件的主要功能有用戶信息數(shù)據(jù)庫管理、光譜儀采集控制、CCD相機(jī)采集控制、模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)分析處理、病例報告生成與打印。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software system structure diagram

軟件分析與檢測程序流程圖如圖4所示。啟動軟件后加載硬件驅(qū)動，驗證登陸信息后到達(dá)人機(jī)交互界面。檢測按鍵并調(diào)整參數(shù)，保留檢測背景環(huán)境。聯(lián)合探頭就位后開始進(jìn)行圖像采集和光譜采集，并保存到數(shù)據(jù)庫。停止檢測后加載已經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行診斷分析并打印報告。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Soft flow chart

軟件主界面如圖5(a)所示，主要用于人機(jī)交互。主界面主要顯示客戶信息、圖像、光譜、采集數(shù)據(jù)量、結(jié)果顯示、操作菜單和按鍵。軟件采用多線程編程，可以同時進(jìn)行多項操作。圖5(b)為客戶信息管理界面，客戶信息及數(shù)據(jù)存儲于MariaDB數(shù)據(jù)庫，通過靜態(tài)鏈接庫libmysql.lib，結(jié)合SQL語句與MariaDB建立通訊，用于查看及管理客戶信息。

2.2 模型構(gòu)建

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型被廣泛應(yīng)用于癌癥光譜分析[8-12]，本系統(tǒng)模型主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，如圖6所示，利用數(shù)據(jù)庫已經(jīng)保存的客戶數(shù)據(jù)信息，從中讀取吸收系數(shù)、散射系數(shù)、血紅蛋白含量、血氧飽和度以及不同波段的斜率和面積等參數(shù)作為特征向量，將數(shù)據(jù)歸一化并分為訓(xùn)練集和測試集，調(diào)整各層節(jié)點輸入權(quán)重，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并保存模型，選取最優(yōu)模型用于光譜分析和檢測。

3 實驗設(shè)計

3.1 裸鼠試驗

腫瘤實驗圖如圖7所示。Hela細(xì)胞復(fù)蘇后培養(yǎng)4～5 d后收集細(xì)胞107個，稀釋到0.2 mL。選用4～6周齡、體重15～20 g的裸鼠（BALB/c-nu）在上肢腋下皮層內(nèi)接種0.2 mL，每只接種0.2 mL，共接種20只。

圖5 軟件界面Fig.5 Software interface

圖6 模型構(gòu)建流程圖Fig.6 Model construction flow chart

圖7 裸鼠腫瘤實驗圖Fig.7 Nude mouse tumor experiment

接種成功一周后，利用異氟烷麻醉裸鼠如圖7所示，在暗環(huán)境下，將光纖探針對準(zhǔn)腫瘤部位，采集腫瘤光譜數(shù)據(jù)，同時在沒有接種腫瘤的對稱部位作為對照，采集正常組織的光譜信息。

對同一腫瘤從不同位置分別進(jìn)行光譜檢測，對250組光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行移動平滑平均并歸一化后作圖如圖8所示，圖中只給出部分峰谷的誤差。

圖8 腫瘤組織和正常組織光譜對比圖Fig.8 Tumor tissue and normal tissue spectrum comparison

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著腫瘤的生長，光譜有明顯變化，在500～600 nm之間腫瘤組織對光的吸收明顯增加，在539 nm和572 nm處吸收現(xiàn)象最明顯。該波長正好對應(yīng)血紅蛋白的吸收峰波長。在750～850 nm近紅外波段光譜也具有區(qū)分腫瘤和正常組織的意義。不同生物組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、血紅蛋白量、血氧飽和度等組織光學(xué)參數(shù)不盡相同，常常被用來區(qū)別不同生物組織[13-16]。裸鼠腫瘤組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、血紅蛋白量、血氧飽和度可以聯(lián)合不同波段的斜率和面積用于腫瘤組織和正常組織的區(qū)分。

3.2 志愿者試驗

在經(jīng)過醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)下召集志愿者進(jìn)行光譜分析和檢測試驗。試驗時由婦產(chǎn)科醫(yī)生進(jìn)行操作，探頭外面用一次性避孕套包裹，檢測完成一個病人后丟掉避孕套，下一個病人檢查前套上新避孕套，充分保證志愿者衛(wèi)生安全。如圖9所示臨床實驗操作現(xiàn)場，設(shè)計了手槍式握把，便于醫(yī)生操作。醫(yī)生操作時，探頭通過避孕套輕輕接觸志愿者子宮頸口的移行帶，醫(yī)生沿順時針方向螺旋向內(nèi)滑過整個移行帶，光譜信息實時保存到數(shù)據(jù)庫。

圖9 志愿者試驗及手槍式握把Fig.9 Volunteer test and pistol grip

分別對2名正常志愿者、2名CIN1期志愿者和2名CIN2期志愿者進(jìn)行分析。采用滑動平均方法每20個點取平均，將光譜進(jìn)行平滑處理，然后歸一化數(shù)據(jù)，圖10為檢測到的正常宮頸組織和CIN1、CIN2的光譜對比圖。從圖10中可以觀察到隨著癌前病變程度加重，在500～600 nm波長范圍光譜峰值變化十分明顯。這可能由于細(xì)胞增殖所需養(yǎng)分及氧增加，供血加快或者有毛細(xì)血管新生，導(dǎo)致單位組織內(nèi)血紅蛋白含量增加，吸收系數(shù)變大。

圖10 光譜信息對比圖Fig.10 Spectral information comparison

圖10 光譜信息對比圖Fig.10 Spectral information comparison

圖11 不同病人的不同波段的斜率Fig.11 Slopes of diあerent bands for diあerent patients

從光譜可以看出，在不同波段的斜率和峰下面積具有一定的識別意義。分別計算2個正常病人、2個CIN1期病人、2個CIN2期病人的500～520 nm、524～532 nm、540～560 nm、565～570 nm和575～590 nm波長范圍的光譜斜率，得到圖11。從圖中可以看出隨著癌前病變程度加深，524～532 nm和565～570 nm兩個波段斜率下降的更明顯。說明斜率信息具有一定的識別分析作用，可以應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模。

4 總結(jié)

本文基于漫反射光譜技術(shù)，設(shè)計了一套便攜式宮頸癌組織檢測與分析系統(tǒng)。設(shè)計了內(nèi)窺鏡與雙光纖聯(lián)合探頭用于宮頸癌檢測和分析。研制了一套基于LabWindows和MariaDB的上位機(jī)軟件，實現(xiàn)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)分析。設(shè)計了裸鼠腫瘤試驗驗證了漫反射光譜分析的可行性，并且提取了特征參數(shù)用于宮頸癌檢測。進(jìn)行了志愿者試驗，在保證衛(wèi)生安全的前提下，采集了正常病人、CIN1期和CIN2期病人的光譜數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明這套系統(tǒng)可以用于宮頸癌檢測，所選特征參數(shù)可以用來進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。由于數(shù)據(jù)的有限性，網(wǎng)絡(luò)模型的性能還有待檢測，相信隨著數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)大，將會建立更加穩(wěn)定的檢測模型，這套設(shè)備在預(yù)防宮頸癌方面具有很大的價值。