[发明专利]使用偏振光对组织成像

说明书

相关申请

本申请要求1999年1月25日提交的美国分案申请No.60/117,221的权利，该分案申请通过在此引述而收入本篇。

本发明的背景

多于90％的癌损伤起源于上皮组织。几种最常见的上皮癌形式，如结肠直肠，食道，膀胱，子宫颈和口腔癌都有详细阐述，可检测到的癌症-前阶段被称为发育异常。发育异常的特点在于在限定的致癌基因和肿瘤抑制基因中突变的连续积累。如果能检测到，绝大多数发育异常损伤都能治疗。检测和治疗上皮癌的这种癌症-前阶段的临床效果已显示出能降低死亡率。

但诊断上皮组织发育异常还很困难，因为一般没有形成显微结构如息肉，并且它常常仅在癌症已发展后才能观察到。检测上皮组织发育异常的标准方法是基于对染色活组织物质的随机活组织切片检查和病理检查。然而，随机活组织切片检查具有高取样误差。在很多情况中，少于1％的可能发育异常的上皮组织表面可被检测到。

所有类型的上皮组织发育异常都有几种共同特征，即细胞核与细胞质的比率增加的上皮细胞核增大，细胞核着色过度，上皮细胞的数量及层化增加。尽管有这些特点显著的上皮组织变化，但如业内观察者，甚至在有经验的病理学家中的严重意见不同所显示的，分类仍很困难。

本发明的简述

检测上皮组织发育异常的非-入侵性体内法提供用于上皮表面的检测，及人体内癌症-前状况的病理性诊断。

光学技术非常适于作为随机活组织切片检测的替代技术，因为它们是非入侵的，不需要将组织移出，并能在体内实施。并且，它们是迅速的(可以实时实施)，相对不是很昂贵，并能在显微镜测量范围内实施，这样可以发现非常小的发育异常部位。而很小的发育异常部位非常可能被随机活组织切片检测错过。

本发明涉及偏振光的光散射光谱，提供有关浑浊介质如组织的表层的散射点的信息。这种方法不需要利用荧光或吸收光谱特性，而需要表面组织如上皮层的散射属性。这种方法能确定人体皮组织中大型散射点(细胞核)的属性，提供人类组织的组织学信息，体内实时诊断人体器官的发育异常。

使用非偏振光的光散射光谱确定上皮组织的想法已在1997年10月10日提交的美国序列No.08/948,734申请，和1998年10月9日提交的国际申请No.PCT/US98/21450，指定美国的申请中作了描述，这些申请的全文都通过在此引述而收入本篇。上皮组织中主要的光散射中心是折射指数高于周围细胞质的细胞器官如线粒体和核子。从表面上皮细胞核反向散射的光具有振荡的波长相关组成。这种组成的周期随着核大小的增加而增加，其振幅与核子的密度相关。因此，通过分析振荡组成的振幅和频率，可确定上皮细胞核的浓度和大小分布。正常核子的特征直径为l＝4-7μm。相反，发育异常核子可大到20μm。核子的大小和密度是生物组织中致癌性癌症前期变化的重要指示。能在体内实时测定核子大小分布在临床医学中具有很有价值的应用。这可以非入侵地并在实时诊断多种人类器官如食道，结肠，膀胱，口腔，子宫颈等中的癌症前期变化。

上皮细胞覆盖人体内器官的表面。上皮细胞的厚度从20μm(单细胞层)到几百微米(多细胞层)。在上皮细胞下面是相对非细胞的结绨组织和肌肉组织层。由于发育异常局限在上皮细胞，因此区分与上皮细胞和下层组织有关的信号是很重要的。带有表面上皮细胞核信息的反向散射组成存在于从粘膜组织折射的光中。然而，它通常振幅非常小，并容易被由下层组织漫散射形成的背景信号掩盖。为了分析该组成，背景信号必须除去。人们可通过模拟背景的一般光谱特性除去漫射背景。然而，为了使这种方法在实际医疗中更有用，并能在体内实时在不同器官中诊断发育异常，需要发展除去或显著减除散射光的漫射组成的更有效的方法。

本发明提供了一种通过使用偏振光光谱测定上皮细胞散射属性的方法。即初始偏振光在穿过浑浊介质(浑浊介质的实例是组织)时损失其偏振作用。在另一个方面，单散射后向后散射的光保留偏振作用。因此，通过除去散射光的非偏振组成，可以区分由上皮细胞散射的光。剩余光谱可进行进一步分析，以确定核子的大小分布。