[发明专利]检测组织形态的方法

说明书

政府支持

本发明部分或全部由国家健康研究所的P41RR0259和CA53717的经费支持。政府拥有本发明的某些权利。相关申请

此篇为1997年10月10日提交的美国序列号No.08/948,734申请的部分继续申请，该申请的全文通过在此引述而收入本篇。

本发明的背景

在早期阶段诊断癌症的方法对癌症的预防和治疗是很重要的。许多类型的癌症是从覆盖人体内外表面的上皮组织生长而来的。许多这些癌症，如胃肠道内癌症，要经过异常结构发展阶段。异常结构可以确定为还不是恶性的肿瘤组织，但认为是恶性肿瘤的前体。如果在这个阶段得到诊断，很多肿瘤可能治疗。在胃肠肿瘤情况中，目前的诊断方法是依靠内窥镜检查法。然而，异常结构的组织在用内窥镜检查中常常不明显。这样，在胃肠道和其他部位中进行异常结构检查常常依赖于从这种“不可视”恶性肿瘤前体获取分散样品。然而，分散活组织检查很大可能会错过异常结构变化。在一些情况中活组织检查不可能实施。

为了在真正时间内，为活体内不同组织中的癌化组织提供精确诊断，已经努力在寻找一种替代标准活组织检查法的方法。为此，无创伤性光学技术不需将组织移出并能在活体内实施。这种方法提供显微镜水平的信息，并能对用标准活组织检查法可能漏掉的非常小的部位提供研究。虽然大部分人类器官能用光学技术方法诊断，但这些技术更适用于人类体腔中的组织，因为它们可容易地被光学探头接近，光学探头可插入到传统内窥镜管的一个槽内。

本发明的概述

本发明涉及使用光确定材料结构层的物理特性，具体地，使用散射光确定有关组织结构形态的某些性质上的信息。反向散射法和透视法都可使用，取决于所检测材料的厚度及结构的大小和分布。可检测材料的性质实例包括表面粗糙度，寄生状况，细胞计数测量，或任何材料中对应结构变化材料折射指数的变化。这种类型的散射光谱能与不能定量测量微粒形态的吸收光谱区分开来。

尽管作了广泛地研究，还没有可信的诊断活体异常结构的光学技术公开。一个现实存在的困难是异常结构变化局限于上皮层的最上层，其厚度为20μm，对光照射几乎是透明的单细胞层。

如在胃肠道中的组织(其他中空器官也有相同的性质)，是由称为上皮细胞的一层细胞覆盖(从20μm到300μm，取决于胃肠道的部位)，由相对无细胞的富含血管的疏松结缔组织，即固有组织(lamina propria)支持，其厚度可达500μm并含网状胶原质和弹性纤维，和多种白血细胞类型。在固有组织下是肌肉层，即肌粘膜(达400μm厚)和另一层称为亚粘膜的中等密度结缔组织(400-600μm厚)含许多小血管和丰富的胶原质和弹性纤维。这些层的总厚度约为1mm。因为光照射到生物组织内的特征穿透深度通常不超过1mm，所以对于较好的具体实施，这就足以限制了对这些组织层的检测。

食道腺癌发生在食道的组织转化的柱状上皮细胞中，称为“Barretts食道”，它是长期胃肠倒流的并发症。在这种情况中，末梢鳞状上皮细胞被类似于在肠中发现的包括单层细胞的柱状上皮细胞替换。Barretts食道常常与后来能发展成癌症的异常结构有关。对患有Barretts食道的患者进行内窥监测试验还没有降低食道癌的死亡率。最可能的解释是产生在食道中的异常结构不能用标准内窥造影观察到，分散活组织检查取样还是必要的。这种方法只能获取约0.3％有危险组织的样品。这样，有极大潜在取样错误。

使用光学技术诊断Barretts食道的异常结构受到的限制是，组织内的初始变化发生在单细胞厚度(约20-30μm)的上皮层内，而大部分形成的荧光或反射光谱是更深的组织层的。异常结构上皮细胞一个最显著的特征是存在增大的，染色过度的，拥挤的细胞核。实际上，这些细胞核的大小和空间分布的变化是病理学者用来诊断组织样品异常结构的主要标记。在其他组织层中没有观察到显著的变化。不幸的是，上皮细胞不含强的吸收体或荧光基团，并且由于上皮细胞的厚度相当小而被忽略。这些使得在Barretts食道中诊断上皮细胞变成困难问题。