無損光學(xué)法測(cè)量胃壁組織對(duì)KTPNdYAG激光的光學(xué)特性的差異

1、無損光學(xué)法測(cè)量胃壁組織對(duì)KTP/Nd:YAG激光的光學(xué)特性的差異                 【摘要】 目的 研究人正常胃黏膜及黏膜下層組織對(duì)532nm和1064nm波長(zhǎng)的KTP/Nd:YAG激光的光學(xué)特性及其對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的光學(xué)特性差異。方法 實(shí)驗(yàn)采用激光斜入射式空間分辨反射光和CCD探測(cè)器以及非線性擬合確定組織光學(xué)特性。結(jié)果 正常人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)1064nm的激光的吸收系數(shù)(0.145±0.004)mm-1明

2、顯地較其對(duì)532nm的激光的吸收系數(shù)(0.314±0.008) mm-1要小(P0.05)，組織樣品對(duì)1064nm的激光的約化散射系數(shù)(0.713±0.019)mm-1明顯地較其對(duì)532nm的激光的約化散射系數(shù)(1.49±0.04)mm-1要小(P0.05)，組織樣品對(duì)1064 nm的激光的光學(xué)穿透深度(1.73±0.05)mm明顯地較其對(duì)532 nm的激光的光學(xué)穿透深度(0.814±0.021)mm要大(P0.05)，組織樣品對(duì)1064nm的激光的漫射系數(shù)(0.436±0.011)mm明顯地較其對(duì)532 nm的激光的漫射系數(shù)(0.2

3、08±0.006)mm要大(P0.05)。結(jié)論 正常人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)1064 nm的激光的吸收系數(shù)與其對(duì)532 nm的激光的吸收系數(shù)的差異為53.8%，其對(duì)1064 nm的激光的約化散射系數(shù)與其對(duì)532 nm的激光的約化散射系數(shù)的差異為52.2%，其對(duì)1064 nm的激光的光學(xué)穿透深度與其對(duì)532 nm的激光的光學(xué)穿透深度的差異為113%，其對(duì)1064 nm的激光的漫射系數(shù)與其對(duì)532 nm的激光的漫射系數(shù)的差異為110%?！娟P(guān)鍵詞】 人胃黏膜/黏膜下層組織；光學(xué)特性差異；激光；CCD探測(cè)器；空間分辨漫反射光Noninvasive measurements for diffe

4、rences 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

5、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 m

6、ucosa/submucosa tissues at 1064 nm is obviously smaller than that (0.314±0.008) mm-1 of the tissue samples at 532 nm (P0.05)，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

7、 at 532 nm (P0.05)，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 (P0.05)，and the diffusion constant (0.436±0.011) mm of the tissue samples at 1064 nm is obviously bigger

8、than that (0.208±0.006) mm of the tissue samples at 532 nm (P0.05).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

9、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 prop

10、erties; laser; CCD detector; spatially resolved diffusive reflective light癌癥的85%以上都起源于人體的內(nèi)表面的上皮內(nèi)層組織，大多數(shù)這些上皮內(nèi)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(fā)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(nèi)層、黏膜及黏膜下層組織的損傷常常是導(dǎo)致胃部病變的原因，如，慢性萎縮性胃炎(Chronic atrophic gastritis，CAG)、應(yīng)激性胃黏膜病變以及胃癌等。隨著激光技術(shù)和內(nèi)鏡技術(shù)的不斷發(fā)展，利用激光技術(shù)和內(nèi)鏡技術(shù)進(jìn)行消化

11、系統(tǒng)的臨床診斷和治療已逐漸成為消化系統(tǒng)疾病診斷和治療的重要手段。例如，Nd:YAG激光在內(nèi)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(jīng)胃鏡治療胃息肉等有較好的療效4?？梢?，人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)Nd:YAG激光的光學(xué)特性對(duì)于激光應(yīng)用于胃腸道的醫(yī)學(xué)診斷和臨床治療是非常重要的，因?yàn)楣庠谏锝M織中傳輸與生物組織的光學(xué)特性密切相關(guān)，在生物組織中由光輻射所產(chǎn)生的空間分辨漫反射和透射特性含有組織的組份和結(jié)構(gòu)等信息。在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究及其應(yīng)用中，測(cè)量組織表面的漫反射率和透射率是組織光學(xué)特性非入侵法測(cè)量的一個(gè)非常關(guān)鍵的問題59。目前，測(cè)量由于光輻射在生物組織表面反射率或透射率的

12、方法很多，最為常見的是采用穩(wěn)態(tài)光的空間分辨技術(shù)聯(lián)合光纖技術(shù)探測(cè)組織表面的漫反射光10，11，但由于光纖探測(cè)器與組織接觸所產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致獲取的組織光學(xué)特性參數(shù)的誤差，以及難以準(zhǔn)確測(cè)量入射光斑中心及其周邊微區(qū)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(wěn)態(tài)光的空間分辨技術(shù)聯(lián)合CCD（Charge Coupled Device）數(shù)字視頻照相技術(shù)測(cè)量生物組織表面的漫反射光來獲取組織光學(xué)特性參數(shù)的方法是非入侵測(cè)定生物組織光學(xué)特性參數(shù)的新技術(shù)，其具有無接觸、非入侵、在體、原位、可視化和實(shí)時(shí)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，若聯(lián)合內(nèi)鏡技術(shù)和激光技術(shù)可作體內(nèi)局部組織光學(xué)特性的探測(cè)、臨床

13、診斷和治療等。本文采用斜入射的穩(wěn)態(tài)光的空間分辨漫反射率技術(shù)以及非線性最小二乘法獲取人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)1064nm的Nd:YAG激光的光學(xué)特性參數(shù)，并與其倍頻激光532nm的KTP激光的光學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析和比較，為激光應(yīng)用于胃腸道黏膜/黏膜下層組織的診斷和治療提供 （無損光學(xué)法測(cè)量胃壁組織對(duì)KTP/Nd:YAG激光的光學(xué)特性的差異(2) 一點(diǎn)有益的參考數(shù)據(jù)。1 材料與方法1.1 材料 樣品的制備：實(shí)驗(yàn)用組織樣品來自10個(gè)手術(shù)切除的人新鮮離體正常胃壁組織，每個(gè)手術(shù)切除的胃組織樣品被立即用生理鹽水作簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)前，將所有

14、組織樣品用冰凍切片機(jī)切割，生成10個(gè)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(tài)及室溫為20環(huán)境下分別進(jìn)行光學(xué)特性的測(cè)量，從手術(shù)切除到樣品準(zhǔn)備和測(cè)量全過程在22h內(nèi)完成。1.2 方法 組織漫射常數(shù)和漫反射率測(cè)量及其實(shí)驗(yàn)裝置生物組織的空間分辨反射問題的實(shí)驗(yàn)和理論研究已有許多的研究報(bào)道1215，研究表明，測(cè)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(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的血氧計(jì)16、光動(dòng)力學(xué)療法17以及血糖監(jiān)測(cè)18。從空間分辨漫反射率測(cè)量數(shù)據(jù)反演生物組織的光學(xué)特性參數(shù)，需要建立實(shí)驗(yàn)

15、測(cè)量數(shù)據(jù)與光學(xué)特性參數(shù)相關(guān)的理論模型，通過非線性擬合的方法反演所測(cè)量的生物組織的光學(xué)特性參數(shù)。以連續(xù)光斜入射到半無限大生物組織表面時(shí)，根據(jù)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(biāo)系中漫射光在生物組織表面的徑向分布12，19，其中，eff是有效衰減系數(shù)，是光學(xué)穿透深度      ，D是漫射系數(shù)，設(shè)生物組織的折射率為ntissue=1.4，環(huán)境的折射率為nambient=1，i是入射光束的入射角。通過測(cè)量生物組織表面的漫反射率R分布、入射光束的入射角(i)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

16、距離x，則可計(jì)算出漫射系數(shù)D，然后采用非線性最小二乘法對(duì)式(1)進(jìn)行非線性擬合獲取有效衰減系數(shù)eff，則可反演所測(cè)量的生物組織對(duì)入射光的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)及其他光學(xué)參數(shù)。測(cè)量生物組織的漫射常數(shù)和漫反射光分布的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1所示。輻照光源分別為KTP/YAG激光治療機(jī)(Laserscope，USA，model SL20/50)分別輸出532nm和1064nm波長(zhǎng)的激光，這兩個(gè)波長(zhǎng)的激光分別被25倍擴(kuò)束鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后通過光衰減器(Attenuation Filter)衰減到不大于5mW，激光經(jīng)反射鏡(Mirror)反射后經(jīng)過2.0mm光欄(Pinhole)和焦距為35.2 mm的透鏡(Lens

17、)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(cè)器(Nikon，Cool Pix，Japan)分別對(duì)以這兩個(gè)角度入射的光在組織表面產(chǎn)生的漫反射光攝取圖像，分辨率為795×596像素。然后，移動(dòng)組織樣品，改變?nèi)肷涔獾竭_(dá)組織的入射點(diǎn)重復(fù)攝取圖像十次(曝光時(shí)間約為0.8 s)，以減小組織樣品不均勻?qū)Τ上駵y(cè)量的影響，由CCD探測(cè)器獲取的圖像信號(hào)經(jīng)CCD控制器(CCD Controller)輸送到電子計(jì)算機(jī)(PC)進(jìn)行圖像分析和數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)激光的輸出功率以防止CCD

18、探測(cè)器的飽和，調(diào)節(jié)透鏡可改變?nèi)肷涔馐闹睆揭赃_(dá)到最佳的成像效果。實(shí)驗(yàn)攝取的圖像的分析和數(shù)據(jù)處理采用MATLAB軟件編寫的圖像分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直接對(duì)CCD探測(cè)器攝取的彩色24 位圖像和黑白8 位圖像進(jìn)行分析處理，也可對(duì)二維圖像直接讀取x或y軸方向以及任意方向的光強(qiáng)或光強(qiáng)分布以及讀取任意點(diǎn)的坐標(biāo)并以數(shù)據(jù)文件(dat)形式儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)數(shù)枯，用純文本文件形式把實(shí)驗(yàn)攝取的光強(qiáng)分布值與空間坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以數(shù)據(jù)形式給出，通過對(duì)45°和接近0°入射角入射的光在組織表面產(chǎn)生的漫反射率的峰值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)的分析獲取峰值的位移x，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)取均值。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，能通過電子計(jì)算機(jī)即時(shí)分析處理CCD探

19、測(cè)器獲取的圖像。1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 組織光學(xué)參數(shù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示，采用t檢驗(yàn)，P0.05為差異有顯著性，利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS10作統(tǒng)計(jì)處理。2 結(jié)果分別用532nm和1064nm波長(zhǎng)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(chǎn)生的漫反射光被CCD探測(cè)器攝取圖像，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，總共10個(gè)組織樣品分別被每個(gè)波長(zhǎng)的激光輻照以及CCD探測(cè)器攝像，每個(gè)樣品對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的激光被重復(fù)攝取圖像十次來獲取每個(gè)測(cè)量值，每次測(cè)量后便改變激光輻照樣品上的光斑位置進(jìn)行下一次測(cè)量，每個(gè)樣品對(duì)特定波長(zhǎng)的激光的測(cè)量結(jié)果具有很好

20、的重復(fù)性，測(cè)量組織樣品所得到的組織光學(xué)特性參數(shù)用(X±SD)表示。表1表示人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)KTP/Nd:YAG激光的吸收系數(shù)a、約化散射系數(shù)s、光學(xué)穿透深度、漫射系數(shù)D。（略）3 討論測(cè)量結(jié)果獲取了人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)532nm和1064nm的KTP/Nd:YAG激光的吸收系數(shù)a、約化散射系數(shù)s、光學(xué)穿透深度、漫射系數(shù)D。我們的研究重點(diǎn)在探討人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)532nm和1064nm的激光的光學(xué)特性以及其對(duì)兩個(gè)不同波長(zhǎng)的激光的光學(xué)特性的差異，下面作詳細(xì)的討論和分析比較。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，正常人胃黏膜/黏膜下層組織對(duì)1064nm的激光的吸收系數(shù)(0.145±0

21、.004)mm-1明顯地較其對(duì)532nm的激光的吸收系數(shù)(0.314±0.008)mm-1要小(P0.05)，可見，其對(duì)1064nm的激光的吸收系數(shù)與其對(duì)532nm的激光的吸收系數(shù)的差異為53.8%。組織樣品對(duì)1064nm的激光的約化散射系數(shù)(0.713±0.019)mm-1明顯地較其對(duì)532nm的激光的約化散射系數(shù)(1.49±0.04)mm-1要小(P0.05)，可見，其對(duì)1064nm的激光的約化散射系數(shù)與其對(duì)532nm的激光的約化散射系數(shù)的差異為52.2%。組織樣品對(duì)1064nm的激光的光學(xué)穿透深度(1.73±0.05)mm明顯地較其對(duì)532nm的激

22、光的光學(xué)穿透深度(0.814±0.021)mm要大(P0.05)，可見，其對(duì)1064nm的激光的光學(xué)穿透深度與其對(duì)532nm的激光的光學(xué)穿透深度的差異為113%。組織樣品對(duì)1064nm的激光的漫射系數(shù)(0.436±0.011)mm明顯地較其對(duì)532nm的激光的漫射系數(shù)(0.208±0.006)mm要大(P0.05)，可見，其對(duì)1064nm的激光的漫射系數(shù)與其對(duì)532nm的激光的漫射系數(shù)的差異為110%。這結(jié)論對(duì)Nd:YAG激光應(yīng)用于胃腸道、特別是胃腸道上皮內(nèi)層組織的臨床診斷和治療及其作用機(jī)理的 （無損光學(xué)法測(cè)量胃壁組織對(duì)KTP/Nd:YAG激光的光學(xué)特性的差異(4

23、) 探討提供有益的參考。【參考文獻(xiàn)】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，2003，9：243-256.3 張文鋒，石峰，歐陽輝，等.Nd:YAG激光治療消化性胃潰瘍

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