撰稿人：阿卜杜萨拉木·图尼亚孜
论文题目：计算散射光谱术赋能早癌检测研究进展(特邀)
作者：穆廷魁1，阿卜杜萨拉木·图尼亚孜1，秦斌2，程妍2
完成单位：1.西安交通大学 物理学院 教育部物质非平衡合成与调控重点实验室；2.西安交通大学 第二附属医院 消化内科
导读
散射光谱术（Light Scattering Spectroscopy, LSS）是一种无创的光学检测方法，通过捕捉上皮细胞的单次散射光，并应用Mie散射理论推断细胞核的形状、尺寸和折射率等关键参数，从而利用这些参数信息进行疾病诊断，能够在细胞和亚细胞层面表征人体胃肠道早期癌变及其他组织微弱变化。然而，将LSS技术应用于人体组织时，如何有效消除底层组织引起的漫散射背景光对单次散射光的干扰，仍是一个技术挑战。本文全面回顾了LSS技术在早期癌症检测中的原理、单次散射光的捕获方法和系统设计，深入分析了其发展历史、研究状态及最新进展，讨论了LSS技术面临的关键挑战，并展望了未来的发展方向。
研究背景
胃肠道癌症是全球主要的健康挑战和致死原因之一，早期检测和治疗对提高生存率至关重要。内窥镜监测是识别早期病变的关键，但标准的白光内窥镜难以识别早期疾病的迹象，因为它仅复制人眼的视觉，使得医生难以准确识别需要切除的目标组织区域。早期癌症通常表现出异常的细胞核形态，如增大和拥挤的上皮细胞核，这被认为是癌症诊断的金标准。尽管正常组织与不典型增生组织之间存在明显差异，但在病理诊断上，即使是专家也可能存在显著的分歧。因此，能够进行客观且可重复测量的技术对于疾病诊断具有重要意义，这些技术不仅可以作为补充，甚至可能超越标准的组织学诊断方法。
鉴于异常核形态在早期癌症诊断中的重要性，研究人员开始开发散射光谱术（LSS）。LSS作为一种光学技术，能够快速检测癌变的早期变化，并覆盖大范围的组织区域，从而提高癌症早期检测的准确性和效率。这种方法无需切除组织，因此适用于无创或微创检测食道、结肠、子宫颈、口腔、肺部和膀胱等多种器官的癌前病变、早期癌变以及其他疾病。然而，挑战在于如何从上皮组织的背散射光中区分出单次散射和漫散射成分。
主要内容
单次散射光谱术
单次散射光谱可以定量地描绘出与早期癌变相关的一些重要组织形貌变化，例如上皮细胞核的增大和拥挤等。单次散射光谱的周期性成分与细胞核大小成正比，其振幅与每种细胞核的数量成正比。因此，可以从单次散射光谱中推断出细胞核的尺寸和数密度。这些信息对病理学家在诊断细胞异常增生和原位癌时所关注的关键特征具有重要意义，有助于评估生物组织中可能存在的癌前病变和早期癌变。要分析散射光的周期性振荡成分，必须去除漫散射背景。这可以通过使用漫散射背景建模或其他门控技术来实现，如相干门控技术、方位LSS、偏振门控技术和空间门控技术。图1展示了对单次散射光谱术的分类和总结，除了漫反射背景建模法外，其他技术均通过实验从后向散射光中分离出单次散射光。每种技术都有其独特的特点，适用于不同的应用场景。这些诸多单次散射光谱技术中，由于偏振门控技术原理简单，易于实现，被广泛研究和应用。
图1 单次散射光谱术总结
偏振门散射光谱术
偏振门散射光谱术（PLSS）基于单次散射光的偏振态保留特性来区分单次散射和多次散射信号，能够有效分离单次散射光。在生物医学领域，尤其是在早期癌症检测中，该技术展现了重要的应用价值。根据单次散射光获取机制的不同，偏振门散射光谱技术分为传统PLSS技术和快照式PLSS技术：
传统PLSS技术：
传统PLSS技术通过双光路分别测量平行于入射光偏振方向的偏振分量和垂直于入射光偏振方向的偏振分量，来获取单次散射光。图2展示了一个集检测、计算、显示和诊断于一体的传统PLSS内窥系统。该系统展示了PLSS技术在临床应用中的巨大潜力，极大地提高了诊断的准确性和可靠性。然而，这些基于传统PLSS技术的系统，其偏振信息获取方式要么通过旋转偏振片，要么通过使用两个正交的偏振片完成，这在一定程度上降低了测量效率和单次散射的纯度。因此，要设法提升偏振信息获取的效率和增强信号采集能力。
图2 (a) 内窥镜多光谱扫描成像系统；(b) PLSS探头检测食管示意图
调制PLSS技术：
此方法使用偏振光谱调制技术，首先对后向散射光进行强度调制，然后通过重建算法获取后向散射光的Stokes光谱。根据Stokes参数和偏振强度的关系可以发现，无论是体外调制PLSS成像系统，还是体内调制PLSS内窥系统，所测量的单次散射光谱（正交偏振差分光谱）都与后向散射光的第二个Stokes参数S1相对应。因此，通过测量散射光的S1分量谱，可以快照式地获取单次散射光谱。图3展示了基于调制PLSS技术的快照式单光路内窥系统。
图3 快照式PLSS内窥技术。(a) 三光纤布局 (b) 双光纤布局 (c) 偏振调制模块 (d) 快照式偏振门控原理 (e) 快照式PLSS内窥系统光路图 (f) 散射光谱处理流程 (g) 快照式PLSS内窥实物图
为实现快照式测量，首次提出仅由单个多级延迟器和线偏振片组成的光谱调制模块，并将其集成在内窥镜的远端位置，以编码偏振散射光谱。随后，使用先验约束的压缩感知算法对调制光谱进行解码，进而从多次散射光中分离出单次散射光的Stokes光谱。解码后的Stokes光谱可用于迭代反演细胞核的尺寸分布，但是迭代过程比较耗时。为避免迭代问题，基于散射的Stokes光谱，提出了一种新的癌症诊断指标——WSSL（Weight of single scattered light）（图4）。与传统的迭代方法相比，直接计算的WSSL省却了复杂的模型反演步骤，使得诊断更快、更准、更适用于临床环境。
图4 WSSL参数诊断结果。颜色代表组织病理学诊断：红色代表癌症，蓝色代表正常。蓝色虚线代表WSSL阈值，虚线以上区域代表癌变，虚线以下区域代表正常
结论
散射光谱技术在早期癌症检测领域展现了巨大的潜力。与其他检测方法相比，散射光谱技术具有无创、快速和成本低廉等优点。最重要的是，散射光谱技术能够获取常规内窥镜无法提供的细胞核形态信息，这在早期癌症检测中至关重要。在诸多单次散射光谱术中，基于偏振门控的PLSS系统研究最多，这些PLSS系统在临床上已经展现了取得了较高的早癌检测率，显示出其巨大的应用潜力。然而，无论是传统的PLSS内窥系统还是双光路快照式PLSS内窥系统，所采集的散射信号均缺乏图像分辨率。这些系统获取的单次散射光是照明区域中所有细胞散射光的叠加，如果照明区域内同时存在大量健康细胞和少量癌变细胞，癌变细胞信号可能被健康细胞信号掩盖，导致漏诊。因此，实现像素级的PLSS成像技术是未来的研究方向。这将进一步提高检测精度和可靠性，推动早期癌症检测技术的发展。
作者及团队介绍
穆廷魁，教授，博士生导师，西安交通大学物理学院院长助理、空间光学研究所副所长。主要从事先进光谱成像与遥感、目标智能检测与识别、大气光学探测与反演等方向的研究工作。先后主持包括国家自然科学基金在内的多项科研项目，荣获陕西省优秀博士论文、教育部学术新人奖、优秀西部科技创新成果奖等荣誉。在Laser & Photonics Reviews、Advanced Photonics Nexus、Optics Express、IEEE TGRS、JAG等国际高水平学术光学和遥感类期刊发表学术论文90余篇，授权发明专利20余项。中国光学工程学会计算成像专委会委员、中国宇航学会空间遥感专委会委员、陕西省光学学会理事、陕西省光学工程学会理事。
阿卜杜萨拉木·图尼亚孜，博士研究生，2012年本科毕业于同济大学物理科学与工程学院，2015年获得同济大学物理科学与工程学院光学工程硕士学位。2019年开始在西安交通大学物理学院攻读博士学位，主要从事生物医学光学、偏振光谱成像和早癌检测等方向的研究。在Laser & Photonics Reviews、Optics and Lasers in Engineering、Journal of Biophotonics、Optics Express等国际高水平学术光学类期刊发表学术论文10余篇，授权发明专利2项。
秦斌，医学博士，副主任医师，硕士研究生导师，任中华医学会消化内镜分会胰腺协作组委员，陕西省消化学会胃肠动力学组委员，陕西省医师协会消化内镜分会委员等，研究方向为消化道早癌的临床与医工结合研究；功能性胃肠病的基础研究；主持陕西省课题2项，高校基本科研项目1项，参与国家级、省级项目十余项， 以第一和通讯作者发表SCI论文10余篇，获批发明专利1项。
西安交通大学“空间光学研究所”为校级研究单位，围绕国家在空间探测、对地观测、生命健康等领域的重大需求，开展光谱遥感、大气探测、医学诊断等方面的前沿技术和仪器研发工作。近年来，先后承担了多项国家级和省部级等基金项目，在光谱成像、偏振成像、偏振光谱成像、大气遥感探测、高光谱二氧化碳反演、早癌诊断等方面取得了创新和特色进展；先后研制出了实验室、机载和星载等一系列多维信息获取原理样机及配套算法软件，发表相关SCI收录学术论文两百余篇，授权发明专利四十余项。
文章信息
穆廷魁, 阿卜杜萨拉木·图尼亚孜, 秦斌, 程妍. 计算散射光谱术赋能早癌检测研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(9): 20240337. DOI: 10.3788/IRLA20240337
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20240337（阅读原文）
“计算光学成像技术与应用II”专栏
文章收录于“计算光学成像技术与应用II”专栏，专栏特别邀请了国内多个相关领域专家团队撰写最新研究综述9篇和原创性研究论文3篇。主要涉及计算光学成像技术与应用领域的三个重要主题：定量相位成像与无标记成像、三维成像与光场成像、散射成像与智能探测。论文内容涵盖了当前计算光学成像领域的前沿热点研究方向：干涉全息、波前传感、相位恢复、结构光三维成像、光场成像、光谱成像、单像素成像（鬼成像）、穿透散射介质成像等。这些高水平论文集中反映计算光学成像技术领域的前沿成果、发展趋势、现存问题及未来挑战，希望能为广大读者或相关从业人员更深入地开展该领域的研究提供有益参考。
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