无损光学法测量胃壁组织对KTP/Nd:YAG激光的光学特性的差异
【关键词】 人胃黏膜/黏膜下层组织；光学特性差异；激光；CCD探测器；空间分辨漫反射光
Noninvasive measurements for differences in optical properties of stomach tissues at KTP/Nd:YAG laser using optical methods
【Abstract】 Objective The study is to determine the optical properties and their differences for normal human stomach mucosa/submucosa tissues in vitro at 532 and 1064nm KTP/Nd:YAG laser.Methods The measurements were performed using a CCD detector，and the optical properties were assessed from the measurements using an obliquely incident laser beam，and spatially resolved reflectance，and nonlinear fitting of diffusion equation.Results The absorption coefficient，(0.145±0.004)mm-1 of normal human stomach mucosa/submucosa tissues at 1064 nm is obviously smaller than that (0.314±0.008) mm-1 of the tissue samples at 532 nm (P＜0.05)，and the reduced scattering coefficient (0.713±0.019) mm-1 of the tissue samples at 1064 nm is obviously smaller than that (1.49±0.04) mm-1 of the tissue samples at 532 nm (P＜0.05)，and the optical penetration depth (1.73±0.05) mm of the tissue samples at 1064 nm is obviously bigger than that (0.814±0.021) mm of the tissue samples at 532 nm (P＜0.05)，and the diffusion constant (0.436±0.011) mm of the tissue samples at 1064 nm is obviously bigger than that (0.208±0.006) mm of the tissue samples at 532 nm (P＜0.05).Conclusion The difference in the absorption coefficient for normal human stomach mucosa/submucosa tissues between 1064 and 532 nm is 53.8%，and the difference in the reduced scattering coefficient for tissue samples between 1064 and 532 nm is 52.2%，and the difference in the optical penetration depth for tissue samples between 1064 and 532 nm is 113%，and the difference in the diffusion constant for tissue samples between 1064 and 532 nm is 110%.
【Key words】 human stomach mucosa/submucosa tissue; difference in the optical properties; laser; CCD detector; spatially resolved diffusive reflective light
癌症的85%以上都起源于人体的内表面的上皮内层组织，大多数这些上皮内层组织的损伤如果能在早期得以确诊是容易的［1］。胃癌是常见的消化道肿瘤，早期病变多发生在黏膜层，然后逐渐向黏膜下层及更深层组织侵犯［2］。研究表明，人胃上皮内层、黏膜及黏膜下层组织的损伤常常是导致胃部病变的原因，如，慢性萎缩性胃炎(Chronic atrophic gastritis，CAG)、应激性胃黏膜病变以及胃癌等。随着激光技术和内镜技术的不断，利用激光技术和内镜技术进行消化系统的临床诊断和治疗已逐渐成为消化系统疾病诊断和治疗的重要手段。例如，Nd:YAG激光在内窥镜下照射胃壁周围浅露血管和溃烂胃黏膜治疗胃溃疡［3］，Nd:YAG激光经胃镜治疗胃息肉等有较好的疗效［4］。可见，人胃黏膜/黏膜下层组织对Nd:YAG激光的光学特性对于激光应用于胃肠道的医学诊断和临床治疗是非常重要的，因为光在生物组织中传输与生物组织的光学特性密切相关，在生物组织中由光辐射所产生的空间分辨漫反射和透射特性含有组织的组份和结构等信息。在生物医学光子学的研究及其应用中，测量组织表面的漫反射率和透射率是组织光学特性非入侵法测量的一个非常关键的问题［5～9］。目前，测量由于光辐射在生物组织表面反射率或透射率的方法很多，最为常见的是采用稳态光的空间分辨技术联合光纤技术探测组织表面的漫反射光［10，11］，但由于光纤探测器与组织接触所产生的压力导致获取的组织光学特性参数的误差，以及难以准确测量入射光斑中心及其周边微区的漫反射光等的限制，而Wang等［12］和Zijp等［13］以及Fabbri等［14］采用激光斜入射式稳态光的空间分辨技术联合CCD（Charge Coupled Device）数字视频照相技术测量生物组织表面的漫反射光来获取组织光学特性参数的方法是非入侵测定生物组织光学特性参数的新技术，其具有无接触、非入侵、在体、原位、可视化和实时探测等优点，若联合内镜技术和激光技术可作体内局部组织光学特性的探测、临床诊断和治疗等。本文采用斜入射的稳态光的空间分辨漫反射率技术以及非线性最小二乘法获取人胃黏膜/黏膜下层组织对1064nm的Nd:YAG激光的光学特性参数，并与其倍频激光532nm的KTP激光的光学特性参数进行分析和比较，为激光应用于胃肠道黏膜/黏膜下层组织的诊断和治疗提供一点有益的数据。
1 材料与方法
1.1 材料
样品的制备：实验用组织样品来自10个手术切除的人新鲜离体正常胃壁组织，每个手术切除的胃组织样品被立即用生理盐水作简单冲洗掉表面的血液，并尽快将样品用生理盐水保存至超低温（-75℃）冰箱速冻冷藏。实验前，将所有组织样品用冰冻切片机切割，生成10个面积为25mm×25mm、厚度为(10.7±0.3)mm的组织样品的厚度(平均值)，然后分别将组织样品在自然状态及室温为20℃环境下分别进行光学特性的测量，从手术切除到样品准备和测量全过程在22h内完成。
1.2 方法
组织漫射常数和漫反射率测量及其实验装置生物组织的空间分辨反射问题的实验和理论研究已有许多的研究报道［12～15］，研究表明，测量生物组织的空间分辨反射率能够定量地反演生物组织的吸收和散射特性，其已被广泛应用到医学领域的血氧计［16］、光动力学疗法［17］以及血糖监测［18］。从空间分辨漫反射率测量数据反演生物组织的光学特性参数，需要建立实验测量数据与光学特性参数相关的理论模型，通过非线性拟合的方法反演所测量的生物组织的光学特性参数。以连续光斜入射到半无限大生物组织表面时，根据漫射理论，并使用外延边界条件和镜像光源的方法，可得到在圆柱坐标系中漫射光在生物组织表面的径向分布［12，19］，其中，μeff是有效衰减系数，δ是光学穿透深度，D是漫射系数，设生物组织的折射率为ntissue=1.4，环境的折射率为nambient=1，αi是入射光束的入射角。通过测量生物组织表面的漫反射率R∞分布、入射光束的入射角(αi)以及入射光束在组织表面形成的光斑的中心到组织表面的漫反射光形成的圆形图案圆心之间的距离Δx，则可出漫射系数D，然后采用非线性最小二乘法对式(1)进行非线性拟合获取有效衰减系数μeff，则可反演所测量的生物组织对入射光的吸收系数和约化散射系数及其他光学参数。测量生物组织的漫射常数和漫反射光分布的实验装置见图1所示。辐照光源分别为KTP/YAG激光治疗机(Laserscope，USA，model SL20/50)分别输出532nm和1064nm波长的激光，这两个波长的激光分别被25倍扩束镜扩束、准直后通过光衰减器(Attenuation Filter)衰减到不大于5mW，激光经反射镜(Mirror)反射后经过2.0mm光栏(Pinhole)和焦距为35.2 mm的透镜(Lens)后以与组织界面法线方向分别成45°度角和接近0°角度入射到胃壁的上皮组织表面，用二维CCD探测器(Nikon，Cool Pix，Japan)分别对以这两个角度入射的光在组织表面产生的漫反射光摄取图像，分辨率为795×596像素。然后，移动组织样品，改变入射光到达组织的入射点重复摄取图像十次(曝光时间约为0.8 s)，以减小组织样品不均匀对成像测量的影响，由CCD探测器获取的图像信号经CCD控制器(CCD Controller)输送到计算机(PC)进行图像分析和数据处理。采用CCD摄取图像所需的入射光的光功率较小，通过增减衰减片或调节激光的输出功率以防止CCD探测器的饱和，调节透镜可改变入射光束的直径以达到最佳的成像效果。实验摄取的图像的分析和数据处理采用MATLAB软件编写的图像分析系统，该系统可直接对CCD探测器摄取的彩色24 位图像和黑白8 位图像进行分析处理，也可对二维图像直接读取x或y轴方向以及任意方向的光强或光强分布以及读取任意点的坐标并以数据文件(dat)形式储存实验数枯，用纯文本文件形式把实验摄取的光强分布值与空间坐标的对应关系以数据形式给出，通过对45°和接近0°入射角入射的光在组织表面产生的漫反射率的峰值对应的坐标的分析获取峰值的位移Δx，并对所测数据取均值。该系统操作简单，能通过电子计算机即时分析处理CCD探测器获取的图像。
1.3 统计学方法
组织光学参数以均数±标准差(x±s)表示，采用t检验，P＜0.05为差异有显著性，利用统计软件SPSS10作统计处理。
2 结果
分别用532nm和1064nm波长的激光以及分别以45°角和接近0°角度入射到组织表面，激光辐照组织样品的表面所产生的漫反射光被CCD探测器摄取图像，整个实验在相同的实验条件下，总共10个组织样品分别被每个波长的激光辐照以及CCD探测器摄像，每个样品对每个波长的激光被重复摄取图像十次来获取每个测量值，每次测量后便改变激光辐照样品上的光斑位置进行下一次测量，每个样品对特定波长的激光的测量结果具有很好的重复性，测量组织样品所得到的组织光学特性参数用(X±SD)表示。表1表示人胃黏膜/黏膜下层组织对KTP/Nd:YAG激光的吸收系数μa、约化散射系数μs′、光学穿透深度δ、漫射系数D。（略）
3 讨论
测量结果获取了人胃黏膜/黏膜下层组织对532nm和1064nm的KTP/Nd:YAG激光的吸收系数μa、约化散射系数μs′、光学穿透深度δ、漫射系数D。我们的研究重点在探讨人胃黏膜/黏膜下层组织对532nm和1064nm的激光的光学特性以及其对两个不同波长的激光的光学特性的差异，下面作详细的讨论和分析比较。
从实验结果可得，正常人胃黏膜/黏膜下层组织对1064nm的激光的吸收系数(0.145±0.004)mm-1明显地较其对532nm的激光的吸收系数(0.314±0.008)mm-1要小(P＜0.05)，可见，其对1064nm的激光的吸收系数与其对532nm的激光的吸收系数的差异为53.8%。组织样品对1064nm的激光的约化散射系数(0.713±0.019)mm-1明显地较其对532nm的激光的约化散射系数(1.49±0.04)mm-1要小(P＜0.05)，可见，其对1064nm的激光的约化散射系数与其对532nm的激光的约化散射系数的差异为52.2%。组织样品对1064nm的激光的光学穿透深度(1.73±0.05)mm明显地较其对532nm的激光的光学穿透深度(0.814±0.021)mm要大(P＜0.05)，可见，其对1064nm的激光的光学穿透深度与其对532nm的激光的光学穿透深度的差异为113%。组织样品对1064nm的激光的漫射系数(0.436±0.011)mm明显地较其对532nm的激光的漫射系数(0.208±0.006)mm要大(P＜0.05)，可见，其对1064nm的激光的漫射系数与其对532nm的激光的漫射系数的差异为110%。这结论对Nd:YAG激光应用于胃肠道、特别是胃肠道上皮内层组织的临床诊断和及其作用机理的探讨提供有益的。
【参考】
1 Y L Kim，Y Liu，R K Wali，et al.Simultaneous measurement of angular and spectral properties of light scattering for characterization of tissue microarchitecture and its alteration in early precancer.IEEE J Select.Topics Quantum Electron，2003，9：243-256.
2 殷光中，谭纪伏，于常青，等.胃癌荧光光谱特性初步研究.激光医学杂志，2004，13(14): 232-235.
3 张文锋，石峰，欧阳辉，等.Nd:YAG激光治疗消化性胃溃疡出血的临床疗效分析.广东医学，1998，19(10): 763-764.
4 王晓峰，陈丛明.Nd∶YAG激光经胃镜治疗上消化道息肉57例.中国激光医学杂志，1999，8(2): 127.
5 谢树森，郑蔚，李步洪，等.紫激光辐射人肺组织的光学特性.光学学报，2000，20(2): 229-233.
6 张小娟，刘迎，高宗慧.光源附近组织的空间分辨漫反射研究.中国激光，2005，32(4): 571-575.
7 朱丹，骆清铭，曾绍群，等.热作用下蛋白及全血光学特性变化的实验研究.光学学报，2002，22(3):369-373.
8 陈荣，谢树森，陈艳娇，等.中国人血液的组织光学参数.光﹒激光，2002，13(1):92-93，97.
9 L H Wang.Rapid modeling of diffuse reflectance of light in turbid slabs.J Opt Soc Am A，1998，15(4): 936-944.
10 A Garcia-Uribe，N Kehtarnavaz，G Marquez，et al.Skin cancer detection by spectroscopic oblique-incidence reflectometry: classification and physiological origins.Appl Opt，2004，43(13): 2643-2650.
11 A M J Wang，J E Bender，J Pfefer，et al.Depth-sensitive reflectance measurements using obliquely oriented fiber probes.J Biomed Opt，2005，10(4): 044017-1-044017-17.
12 L H Wang，S L Jacques.Use of a laser beam with an oblique angle of incidence to measure the reduced scattering coefficient of a turbid medium.Appl.Opt，1995，34(13): 2362-2366.
13 J R Zijp，J J ten Bosch.Optical properties of bovine muscle tissue in vitro;a comparison of methods.Phys Med Biol，1998，43: 3065-3081.
14 F Fabbri，M A Franceschini，S Fantini.Characterization of spatial and temporal variations in the optical properties of tissue like media with diffuse reflectance imaging.Appl Opt，2003，42(16): 3063-3072.
15 D J Durian，J Rudnick.Spatially resolved backscattering: implementation of extrapolation boundary condition and exponential source.Opt Soc Am A，1999，16(4): 837-844.
16 M Solonenko，R Cheung，T M Busch，et al.In vivo reflectance measurement of optical properties，blood oxygenation and motexafin lutetium uptake in canine large bowels，kidneys and prostates.Phys Med Biol，2002，47: 857-873.
17 H W Wang，T C Zhu，M E Putt，et al.Broadband reflectance measurements of light penetration，blood oxygenation，hemoglobin concentration，and drug concentration in human intraperitoneal tissues before and after photodynamic therapy.J Biomed Opt，2005，10(1): 014004-1-014004-13.
18 J T Bruulsema，J E Hayward，T J Farrell，et al.Correlation between blood glucose concentration in diabetics and noninvasively measured tissue optical scattering coefficient.Opt Lett，1997，22(3): 190-192.
19 L H Wang，S L Jacques.Hybrid model of Monte Carlo simulation and diffusion theory for light reflectance by turbid media.J Opt Soc Am A，1993，10(8): 1746-1752.
