[发明专利]对次表面组织和液体的拉曼光谱分析

说明书

技术领域

本发明涉及通过探测漫散射光的拉曼特征来确定体内次表面组织的特性的方法和装置。例如，所述方法和装置适于透过皮肤、指甲或其它表面组织来探测体内骨骼的拉曼光谱特征，而不需要通过切割或穿刺而使骨骼组织暴露出来。

背景技术

对骨骼和其它生物组织及活组织进行调查研究的领域包括各种各样的分析技术。已经发现评估特定患者、人或动物的骨骼质量或组织成分是重要的，针对许多这样的情况而开发出了这些技术。例如，患骨质疏松症的人与正常人相比，骨折的风险显著增加。对退变性骨骼疾病(例如骨质疏松症)的诊断是重要的，从而使患者可以调整他们的生活方式或寻求干预以降低骨折的显著风险。在肌骨组织研究中发现了另一示例。该领域的一个重要方面是使用仔细挑选的许多正常的并且在许多情况下是转基因动物对具有功能的组织成分和分子结构进行比较。

但是，至今为止，很少有用于检查骨骼的细节或其它组织的成分的非侵入性或最小侵入性方法。在对遗传疾病或代谢疾病的动物模型的研究中，标准的过程是牺牲动物并采集组织标本以供研究。显然优选的是，研究活动物并且使用导致最小不适或伤害的方法。在长时间监测组织变化的研究中，最能体验到这种需要。

显然，在检查人类患者时，牺牲过程并不是一种选择。当前用于评估骨骼质量的可用方法主要基于射线照相，特别是双能X射线吸收测量法(DEXA)。但是，这种技术仅能够测量骨骼的无机相(羟磷灰石)，而有机相(主要是胶原I)在很大程度上是不可见的。众所周知，骨骼的材料强度取决于胶原成分和羟磷灰石成分这两者。因此，DEXA技术忽视了评估骨骼质量所需的一个关键数据。至今为止，仅仅公知的用于获取有机(胶原)数据的过程涉及分析物理暴露出的骨骼或通过活组织切片而切下的样本。这两者通常都会使患者不适或疼痛。

红外和拉曼光谱法提供了丰富的与宽范围的组织和液体的生化状态有关的信息(例如，参见US 6,681,133或WO 01/52739)。在骨骼分析中，例如，这些技术可以提供矿物/基质比、矿物结晶度、基质交联和机械负载所引起的可逆变化和不可逆变化的有关信息。不幸的是，利用这些方法进行的分析局限于表面研究，即对暴露骨骼的研究。红外辐射通常在被水完全吸收之前穿透到组织中不多于几个微米。近红外范围(700至850nm)穿透得更深，但是多重散射会导致失去详细空间信息。共焦显微镜法是一种用于探测样本深处的标准技术，但对于活组织被排除，因为密集的焦点产生局部加热和组织损害。此外，这种技术在诸如生物组织的漫散射介质中基本上效果较弱，在漫散射介质中，该技术仅对于大约十倍于光子在该介质中平均自由程的深度是实用的。

弹性散射光子已经用于在散射表面之下探测组分信息。例如，B.B.Das等在Rep.Prog.Phys.60,227(1997)中描述了一种使用时间选通(time gating)的方法。这种技术依赖于这样的事实，即光穿透漫散射介质花费的时间有限。因此，因此稍后将在较低的深度发生散射事件，因此监测散射信号随时间的变化从理论上讲应当提供关于在逐渐变深的深度处的散射中心的性质的信息。

用于提取对医学诊断至关重要的信息的拉曼光谱法的广泛应用促使研究一种能够测量次表面拉曼散射的系统。理论上讲，这种系统应当能够对皮下骨骼和软骨、软骨囊(cartilage sack)内的腰间盘组织、具有不同材料和功能特性的腱和韧带、由体内膜状覆层再次进行保护的内脏壁或食道组织进行成分分析。但是，Das等的弹性散射技术不能直接延伸到拉曼光谱法。由于用于产生拉曼光的截面小得多，所以光子的非弹性散射是弱得多的过程。这导致了弱得多的信号。此外，拉曼信号更加易受发光或样本损害的干扰。

一种已经用于从拉曼散射获取深度信息的方法在下文中进行了描述：Jun Wu等所著的“Three dimensional imaging of objects embedded inturbid media with fluorescence and Raman spectroscopy”，Appl.Optics 34(18)，3425(1995)。该论文描述了一种利用荧光衰减和拉曼散射的快速上升时间，根据表面照射和散射光子的最早探测之间的时间延迟来推断深度信息的技术。设置一单光子探测系统以从被1MHz的脉冲激光束照射时开始监测来自样本表面的反向散射光子。光子到达时间针对多个脉冲照射的扩展，显示出具有开始时间延迟，它是散射对象的深度特性。