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無損光學法測量胃壁組織對KTP/Nd:YAG激光的光學特性的差異

來源:中華醫學研究雜志 作者:魏華江,邢達,何博華,巫國勇,谷懷民,陳雪梅,魯建 2006-12-18
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摘要: 無損光學法測量胃壁組織對KTP/Nd:YAG激光的光學特性的差異(pdf) 【摘要】 目的 研究人正常胃黏膜及黏膜下層組織對532nm和1064nm波長的KTP/Nd:YAG激光的光學特性及其對不同波長的激光的光學特性差異。方法 實驗采用激光斜入射式空間分辨反射光和CCD探測器以及非線性擬合確定組織光學特性。結果 正常人胃黏膜/黏膜下層組織......


 無損光學法測量胃壁組織對KTP/Nd:YAG激光的光學特性的差異(pdf)

    【摘要】  目的  研究人正常胃黏膜及黏膜下層組織對532nm和1064nm波長的KTP/Nd:YAG激光的光學特性及其對不同波長的激光的光學特性差異。方法  實驗采用激光斜入射式空間分辨反射光和CCD探測器以及非線性擬合確定組織光學特性。結果  正常人胃黏膜/黏膜下層組織對1064nm的激光的吸收系數(0.145±0.004)mm-1明顯地較其對532nm的激光的吸收系數(0.314±0.008) mm-1要小(P<0.05),組織樣品對1064nm的激光的約化散射系數(0.713±0.019)mm-1明顯地較其對532nm的激光的約化散射系數(1.49±0.04)mm-1要小(P<0.05),組織樣品對1064 nm的激光的光學穿透深度(1.73±0.05)mm明顯地較其對532 nm的激光的光學穿透深度(0.814±0.021)mm要大(P<0.05),組織樣品對1064nm的激光的漫射系數(0.436±0.011)mm明顯地較其對532 nm的激光的漫射系數(0.208±0.006)mm要大(P<0.05)。結論  正常人胃黏膜/黏膜下層組織對1064 nm的激光的吸收系數與其對532 nm的激光的吸收系數的差異為53.8%,其對1064 nm的激光的約化散射系數與其對532 nm的激光的約化散射系數的差異為52.2%,其對1064 nm的激光的光學穿透深度與其對532 nm的激光的光學穿透深度的差異為113%,其對1064 nm的激光的漫射系數與其對532 nm的激光的漫射系數的差異為110%。
   
  【關鍵詞】  人胃黏膜/黏膜下層組織;光學特性差異;激光;CCD探測器;空間分辨漫反射光
 
  Noninvasive measurements for differences in optical properties of stomach tissues at KTP/Nd:YAG laser using optical methods

  WEI Hua-jiang,XING Da,HE Bo-hua,et al.

  MOE Key Laboratory of Laser Life Science and Institute of Laser Life Science,South China Normal University,Guangzhou,Guangdong 510631,China

  【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

  癌癥的85%以上都起源于人體的內表面的上皮內層組織,大多數這些上皮內層組織的損傷如果能在早期得以確診是容易治療的[1]。胃癌是常見的消化道腫瘤,早期病變多發生在黏膜層,然后逐漸向黏膜下層及更深層組織侵犯[2]。研究表明,人胃上皮內層、黏膜及黏膜下層組織的損傷常常是導致胃部病變的原因,如,慢性萎縮性胃炎(Chronic atrophic gastritis,CAG)、應激性胃黏膜病變以及胃癌等。隨著激光技術和內鏡技術的不斷發展,利用激光技術和內鏡技術進行消化系統的臨床診斷和治療已逐漸成為消化系統疾病診斷和治療的重要手段。例如,Nd:YAG激光在內窺鏡下照射胃壁周圍淺露血管和潰爛胃黏膜治療胃潰瘍[3],Nd:YAG激光經胃鏡治療胃息肉等有較好的療效[4]。可見,人胃黏膜/黏膜下層組織對Nd:YAG激光的光學特性對于激光應用于胃腸道的醫學診斷和臨床治療是非常重要的,因為光在生物組織中傳輸與生物組織的光學特性密切相關,在生物組織中由光輻射所產生的空間分辨漫反射和透射特性含有組織的組份和結構等信息。在生物醫學光子學的研究及其應用中,測量組織表面的漫反射率和透射率是組織光學特性非入侵法測量的一個非常關鍵的問題[5~9]。目前,測量由于光輻射在生物組織表面反射率或透射率的方法很多,最為常見的是采用穩態光的空間分辨技術聯合光纖技術探測組織表面的漫反射光[10,11],但由于光纖探測器與組織接觸所產生的壓力導致獲取的組織光學特性參數的誤差,以及難以準確測量入射光斑中心及其周邊微區的漫反射光等的限制,而Wang等[12]和Zijp等[13]以及Fabbri等[14]采用激光斜入射式穩態光的空間分辨技術聯合CCD(Charge Coupled Device)數字視頻照相技術測量生物組織表面的漫反射光來獲取組織光學特性參數的方法是非入侵測定生物組織光學特性參數的新技術,其具有無接觸、非入侵、在體、原位、可視化和實時探測等優點,若聯合內鏡技術和激光技術可作體內局部組織光學特性的探測、臨床診斷和治療等。本文采用斜入射的穩態光的空間分辨漫反射率技術以及非線性最小二乘法獲取人胃黏膜/黏膜下層組織對1064nm的Nd:YAG激光的光學特性參數,并與其倍頻激光532nm的KTP激光的光學特性參數進行分析和比較,為激光應用于胃腸道黏膜/黏膜下層組織的診斷和治療提供一點有益的參考數據。

  1  材料與方法

  1.1  材料 

  樣品的制備:實驗用組織樣品來自10個手術切除的人新鮮離體正常胃壁組織,每個手術切除的胃組織樣品被立即用生理鹽水作簡單沖洗掉表面的血液,并盡快將樣品用生理鹽水保存至超低溫(-75℃)冰箱速凍冷藏。實驗前,將所有組織樣品用冰凍切片機切割,生成10個面積為25mm×25mm、厚度為(10.7±0.3)mm的自然組織樣品的厚度(平均值),然后分別將組織樣品在自然狀態及室溫為20℃環境下分別進行光學特性的測量,從手術切除到樣品準備和測量全過程在22h內完成。

  1.2  方法

  組織漫射常數和漫反射率測量及其實驗裝置生物組織的空間分辨反射問題的實驗和理論研究已有許多的研究報道[12~15],研究表明,測量生物組織的空間分辨反射率能夠定量地反演生物組織的吸收和散射特性,其已被廣泛應用到醫學領域的血氧計[16]、光動力學療法[17]以及血糖監測[18]。從空間分辨漫反射率測量數據反演生物組織的光學特性參數,需要建立實驗測量數據與光學特性參數相關的理論模型,通過非線性擬合的方法反演所測量的生物組織的光學特性參數。以連續光斜入射到半無限大生物組織表面時,根據漫射理論,并使用外延邊界條件和鏡像光源的方法,可得到在圓柱坐標系中漫射光在生物組織表面的徑向分布[12,19],其中,μeff是有效衰減系數,δ是光學穿透深度,D是漫射系數,設生物組織的折射率為ntissue=1.4,環境的折射率為nambient=1,αi是入射光束的入射角。通過測量生物組織表面的漫反射率R∞分布、入射光束的入射角(αi)以及入射光束在組織表面形成的光斑的中心到組織表面的漫反射光形成的圓形圖案圓心之間的距離Δx,則可計算出漫射系數D,然后采用非線性最小二乘法對式(1)進行非線性擬合獲取有效衰減系數μeff,則可反演所測量的生物組織對入射光的吸收系數和約化散射系數及其他光學參數。測量生物組織的漫射常數和漫反射光分布的實驗裝置見圖1所示。輻照光源分別為KTP/YAG激光治療機(Laserscope,USA,model SL20/50)分別輸出532nm和1064nm波長的激光,這兩個波長的激光分別被25倍擴束鏡擴束、準直后通過光衰減器(Attenuation Filter)衰減到不大于5mW,激光經反射鏡(Mirror)反射后經過2.0mm光欄(Pinhole)和焦距為35.2 mm的透鏡(Lens)后以與組織界面法線方向分別成45°度角和接近0°角度入射到胃壁的上皮組織表面,用二維CCD探測器(Nikon,Cool Pix,Japan)分別對以這兩個角度入射的光在組織表面產生的漫反射光攝取圖像,分辨率為795×596像素。然后,移動組織樣品,改變入射光到達組織的入射點重復攝取圖像十次(曝光時間約為0.8 s),以減小組織樣品不均勻對成像測量的影響,由CCD探測器獲取的圖像信號經CCD控制器(CCD Controller)輸送到電子計算機(PC)進行圖像分析和數據處理。采用CCD攝取圖像所需的入射光的光功率較小,通過增減衰減片或調節激光的輸出功率以防止CCD探測器的飽和,調節透鏡可改變入射光束的直徑以達到最佳的成像效果。實驗攝取的圖像的分析和數據處理采用MATLAB軟件編寫的圖像分析系統,該系統可直接對CCD探測器攝取的彩色24 位圖像和黑白8 位圖像進行分析處理,也可對二維圖像直接讀取x或y軸方向以及任意方向的光強或光強分布以及讀取任意點的坐標并以數據文件(dat)形式儲存實驗數枯,用純文本文件形式把實驗攝取的光強分布值與空間坐標的對應關系以數據形式給出,通過對45°和接近0°入射角入射的光在組織表面產生的漫反射率的峰值對應的坐標的分析獲取峰值的位移Δx,并對所測數據取均值。該系統操作簡單,能通過電子計算機即時分析處理CCD探測器獲取的圖像。

  1.3  統計學方法 

  組織光學參數以均數±標準差(x±s)表示,采用t檢驗,P<0.05為差異有顯著性,利用統計軟件SPSS10作統計處理。

  2  結果

  分別用532nm和1064nm波長的激光以及分別以45°角和接近0°角度入射到組織表面,激光輻照組織樣品的表面所產生的漫反射光被CCD探測器攝取圖像,整個實驗在相同的實驗條件下,總共10個組織樣品分別被每個波長的激光輻照以及CCD探測器攝像,每個樣品對每個波長的激光被重復攝取圖像十次來獲取每個測量值,每次測量后便改變激光輻照樣品上的光斑位置進行下一次測量,每個樣品對特定波長的激光的測量結果具有很好的重復性,測量組織樣品所得到的組織光學特性參數用(X±SD)表示。表1表示人胃黏膜/黏膜下層組織對KTP/Nd:YAG激光的吸收系數μa、約化散射系數μs′、光學穿透深度δ、漫射系數D。(略)

  3  討論

  測量結果獲取了人胃黏膜/黏膜下層組織對532nm和1064nm的KTP/Nd:YAG激光的吸收系數μa、約化散射系數μs′、光學穿透深度δ、漫射系數D。我們的研究重點在探討人胃黏膜/黏膜下層組織對532nm和1064nm的激光的光學特性以及其對兩個不同波長的激光的光學特性的差異,下面作詳細的討論和分析比較。

  從實驗結果可得,正常人胃黏膜/黏膜下層組織對1064nm的激光的吸收系數(0.145±0.004)mm-1明顯地較其對532nm的激光的吸收系數(0.314±0.008)mm-1要小(P<0.05),可見,其對1064nm的激光的吸收系數與其對532nm的激光的吸收系數的差異為53.8%。組織樣品對1064nm的激光的約化散射系數(0.713±0.019)mm-1明顯地較其對532nm的激光的約化散射系數(1.49±0.04)mm-1要小(P<0.05),可見,其對1064nm的激光的約化散射系數與其對532nm的激光的約化散射系數的差異為52.2%。組織樣品對1064nm的激光的光學穿透深度(1.73±0.05)mm明顯地較其對532nm的激光的光學穿透深度(0.814±0.021)mm要大(P<0.05),可見,其對1064nm的激光的光學穿透深度與其對532nm的激光的光學穿透深度的差異為113%。組織樣品對1064nm的激光的漫射系數(0.436±0.011)mm明顯地較其對532nm的激光的漫射系數(0.208±0.006)mm要大(P<0.05),可見,其對1064nm的激光的漫射系數與其對532nm的激光的漫射系數的差異為110%。這結論對Nd:YAG激光應用于胃腸道、特別是胃腸道上皮內層組織的臨床診斷和治療及其作用機理的探討提供有益的參考。

  【參考文獻】

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  作者單位: 1 510631 廣東廣州,華南師范大學激光生命科學研究所、暨激光生命科學教育部重點實驗室

        2 510224 廣東廣州,廣東藥學院臨床醫學系外科

        3 510080 廣東廣州,中山大學第一附屬醫院外科(Δ眼科)

  基金項目:國家自然科學基金項目(60378043; 30470494),廣東省自然科學基金項目(015012; 04010394)和廣東省科技計劃項目(2004B10401011)資助


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