[发明专利]组织的偏振光散射光谱

说明书

相关的专利申请

这项申请要求1999年1月25日提交的美国专利申请第09/237,153号的优先权，该文献的全部内容通过此在引证并入本文。政府的支持

本发明全面地或部分地得到来自国家健康研究所(批准号P41RR02954)的支持。政府对这项发明有某种权利。

本发明的现有技术

90％以上的癌损伤源于上皮细胞。最常见的上皮细胞癌的几种形式(例如，结肠直肠癌、食管癌、膀胱癌、颈癌和口腔癌)都具有明确定义的可检测的癌变前期阶段，称之为发育异常。发育异常是通过致癌基因和肿瘤抑制基因中突变的连续累积表征的。如果进行检测，绝大多数发育异常损伤是可医治的。在上皮细胞癌的癌变前期阶段进行检测和治疗的临床研究已经证明降低了死亡率。

上皮细胞发育异常的诊断至今仍然是困难的，因为它通常不形成息肉之类的宏观结构，并且通常在癌已经发展之后才是可见的。检测上皮细胞发育异常的标准方法是根据对染色的活组织检查材料的随机的活组织检查和病理学诊察。但是，随机的活组织检查采样误差高。在许多情况下，处在发育异常的危险之中的上皮细胞只有不足1％能够得到诊察。

所有类型的上皮细胞发育异常具有几个共同的特征，即上皮细胞核随着核质比增加而增大、核染色过度、以及上皮细胞的数量和分层增大。不考虑这些特征明确的上皮细胞变化，分类就象观察者间(甚至在经验丰富的病理学家之间也在所难免)的不同意见所证明的那样难以进行。

本发明的概述

上皮细胞发育异常的非侵入性体内检测方法是为在人体内监视上皮细胞表面和诊断癌症前期症状准备的。

光学技术非常适合作为随机的活组织检查的代替，因为它们是非侵入性的、不需要切除组织并且能够在体内完成。此外，它们快捷(能够实时应用)、费用比较低、能够在微观规模上工作、并因此能够找到非常小的发育异常部位。后者非常可能被随机的活组织检查错过。

本发明涉及提供有关在混浊介质(例如，组织)的表面层中的散射体的信息的偏振光的散射光谱学。这种方法不需要利用荧光或或吸收光谱的特征，而是利用表面组织(例如，上皮细胞层)的散射特性。它能够描写人体上皮细胞中的大散射体(细胞核)的特征，提供有关人体组织的组织学信息和在人体器官中对发育异常进行活体内的实时诊断。

用来确定上皮组织特征的非偏振光散射光谱学的概念是在1997年10月10日归档的美国专利申请第08/948,734号和指定美利坚合众国的1998年10月9日提交的国际专利申请第PCT/US98/21450号中介绍的，在此通过引证将这些申请的全部内容并入本文。在上皮细胞中主要的光散射中心是细胞的细胞器，例如折射率比周围的细胞质高的线粒体和核。从表层上皮细胞的细胞核反向散射的光线具有依赖于振动波长的分量。这些分量的周期性随着细胞核尺寸增加，而且其振幅与细胞核的密度有关。因此，通过分析振动分量的振幅和频率，上皮细胞核的密度和尺寸分布就能被确定。正常的细胞核具有1＝4-7微米的特征直径。反之，发育异常的细胞核可能象20微米那样大。细胞核的尺寸和密度是生物组织中赘生物癌变前期变化的重要的指示器。在活体内实时地测定细胞核的尺寸分布的能力在临床医学中具有明显的应用价值。这使非侵入性地实时诊断各种人体器官(例如，食管、结肠、膀胱、口腔、子宫颈等)中的癌变前期变化成为可能。

上皮覆盖着人体中各个器官的表面。上皮的厚度在20微米(一个细胞层)和两三百微米(多个细胞层)之间变动。在上皮下面有比较非细胞的结缔组织层和肌肉组织层。由于发育异常被制限在上皮范围内，所以区分与上皮和底层组织相关联的信号是至关重要的。携带着关于表层上皮细胞核的信息的反向散射分量存在于从粘膜组织反射的光线中。但是，它在振幅方面原本是非常小的，并且容易被来自底层组织的漫散射所形成的背景信号掩盖。为了分析那个分量，背景信号必须被除掉。人们可以通过建立一般的背景光谱特征模型除掉漫反射背景。但是，为了使这种途径在实用医学中更有用以及为了能够在不同的器官中进行活体内的实时诊断，必不可少的是开发从散射光线中除去或大幅度减少漫反射分量的更壮健的方法。