JP4588324B2 - Tissue measurement probe - Google Patents
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Description
本発明は全体として若しくは部分的に国立保健研究所(National Institute of Health)からの助成金第P41−RR−02594号および同第R01−HL−64675号により援助された。米国政府は本発明においてある種の権利を有する。 This invention was supported in whole or in part by grants P41-RR-02594 and R01-HL-64675 from the National Institute of Health. The US government has certain rights in this invention.
本出願は、2002年4月5日出願の米国仮出願第60/370,197号明細書の利益を主張する2002年6月21日出願の米国一部継続出願第10/178,062号明細書の一部継続出願である。上の出願の内容全体はそっくりそのまま引用することにより本明細書に組み込まれる。 This application is a continuation-in-part of US Ser. No. 10 / 178,062, filed Jun. 21, 2002, which claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 370,197, filed Apr. 5, 2002. This is a continuation-in-part application. The entire contents of the above application are incorporated herein by reference in their entirety.
光学的方法は疾患の検出にますます使用されている。とりわけ近赤外ラマン分光法はその化学的特異性の故に疾患の診断および疾患の進行の研究の双方に有用なツールであることが判明してきている。過去10年にわたり、ラマン分光法は、多くの疾患および生物学的問題に適用され、また、in vitroで大きな進歩がなされた。より最近、in vivo研究の報告が存在しているが、それらはしかしながら、皮膚若しくは他の容易に到達可能な器官の研究に限られているか、または実際の臨床使用に対し理屈にあわないほど長い収集時間を必要とする光ファイバー構成を使用しているかのいずれかである。応用の大多数は光ファイバーを介する遠隔サンプリングを必要とし、また、プローブおよびファイバー束の大きさは応用により厳格に制限されている。現在の商業的系が提供できない特定の一例は、血管造影カテーテルによりリアルタイムでin vivoのアテローム硬化性病変を評価して従って各個々の症例での最も適切な処置の指図において心臓専門医を補助する能力である。これらの目的は現在の系により満たされていない。 Optical methods are increasingly being used to detect diseases. In particular, near-infrared Raman spectroscopy has proven to be a useful tool for both disease diagnosis and disease progression studies because of its chemical specificity. Over the past decade, Raman spectroscopy has been applied to many diseases and biological problems, and great progress has been made in vitro. More recently, there have been reports of in vivo studies, however, they are limited to studies of skin or other readily accessible organs or are unreasonably long for practical clinical use Either using fiber optic configurations that require collection time. The majority of applications require remote sampling via optical fibers, and the size of the probe and fiber bundle is strictly limited by the application. One particular example that current commercial systems cannot provide is the ability to assess in vivo atherosclerotic lesions in real time with angiographic catheters and thus assist cardiologists in directing the most appropriate treatment in each individual case It is. These objectives are not met by the current system.
加えて、ファイバーのスペクトルバックグラウンドのいくつかの異なるフィルタリング方法を使用する遠隔ラマン検知のための従来技術のプローブは、極めて低い光学的スループットを表すか若しくは血管内で使用するには嵩高過ぎるかのいずれかである。従来技術の設計での一問題は、冠動脈に到達するための経皮カテーテル中へのそれらの組み込みを妨げる4cm長の剛性先端を有することを包含する。第二に、これらのプローブを用いて収集したデータにおいて、ファイバーのラマンスペクトルのかなりの構成部分がなお留まっている。さらに、許容できるS/N比(SNR)をもつシグナルの収集のために、30秒若しくはより長い次数のデータ収集時間が典型的に必要とされる。 In addition, prior art probes for remote Raman detection using several different filtering methods of the fiber's spectral background represent very low optical throughput or are too bulky for use in blood vessels Either. One problem with prior art designs involves having a 4 cm long rigid tip that prevents their incorporation into a percutaneous catheter to reach the coronary artery. Secondly, in the data collected using these probes, a significant portion of the fiber Raman spectrum still remains. In addition, a 30 second or longer order data collection time is typically required for the collection of signals with an acceptable signal-to-noise ratio (SNR).
例えば、医学における応用向けに大きさを決められかつ組織からの改良されたスペクトルシグネチャ(signature)を提供するラマン分光法のためのプローブを包含する改良された系および方法に対する必要性がなお存在する。 For example, there remains a need for improved systems and methods that include probes for Raman spectroscopy that are sized for medical applications and provide improved spectral signatures from tissues. .
本発明の系および方法は、血管疾患若しくは癌のような組織状態の診断のため分光学、例えばラマン分光学的方法を使用することに関する。本発明の系および方法はいくつかの応用、すなわち乳管内視鏡検査による光学的乳房生検および乳房分析、経皮的血液分析およびモニタリング、血管狭窄、胃腸癌の評価、膵管中の異形成に対する走査ならびに皮膚分析を有する。 The systems and methods of the present invention relate to the use of spectroscopy, such as Raman spectroscopic methods, for the diagnosis of tissue conditions such as vascular disease or cancer. The system and method of the present invention for several applications: optical breast biopsy and breast analysis by ductoscopy, percutaneous blood analysis and monitoring, vascular stenosis, assessment of gastrointestinal cancer, dysplasia in the pancreatic duct With scanning as well as skin analysis.
本発明の好ましい一態様によれば、組織測定用の系は、近位端、遠位端および2mm若しくはそれ未満の直径を有する光ファイバープローブを包含する。この小さい直径は、最小限の外傷を伴う冠動脈疾患または他の小管腔若しくは軟組織の診断に本系が使用されることを可能にする。送達光ファイバー(1本若しくは複数)は近位端で光源に接続されたプローブ中に包含される。送達ファイバーのフィルターは遠位端に包含される。該系は、組織からのラマン散乱放射を収集するプローブ中の収集光ファイバー(1本若しくは複数)を包含し、該収集光ファイバーは近位端で検出器に接続される。第二のフィルターは収集ファイバーの遠位端に配置される。送達ファイバーに接続された送達導波管、収集光ファイバーに接続された収集導波管およびレンズを包含する光学レンズ系がプローブの遠位端に配置される。 According to a preferred embodiment of the present invention, the tissue measurement system includes a proximal end, a distal end and a fiber optic probe having a diameter of 2 mm or less. This small diameter allows the system to be used for the diagnosis of coronary artery disease or other small lumens or soft tissues with minimal trauma. The delivery optical fiber (s) is included in a probe connected to a light source at the proximal end. A delivery fiber filter is included at the distal end. The system includes collection optical fiber (s) in a probe that collects Raman scattered radiation from the tissue, and the collection optical fiber is connected to a detector at the proximal end. The second filter is located at the distal end of the collection fiber. An optical lens system including a delivery waveguide connected to the delivery fiber, a collection waveguide connected to the collection optical fiber and a lens is disposed at the distal end of the probe.
送達導波管はロッドを含んでなりかつ収集導波管はロッドの周囲で同心円状である円筒形チューブを含んでなる。代替の好ましい一態様において、送達導波管は第一のチューブを含んでなりかつ収集導波管は第一のチューブの周囲で同心円状である第二の円筒形チューブを含んでなる。さらに、レンズは送達ファイバーおよび収集ファイバーに光学的に接続されたボールレンズを包含する。 The delivery waveguide comprises a rod and the collection waveguide comprises a cylindrical tube that is concentric around the rod. In an alternative preferred embodiment, the delivery waveguide comprises a first tube and the collection waveguide comprises a second cylindrical tube that is concentric around the first tube. In addition, the lens includes a ball lens optically connected to the delivery fiber and the collection fiber.
好ましい一態様において、該プローブは、送達導波管を収集導波管から光学的に隔離するスリーブをさらに含んでなる。該スリーブはパラジウム、銀若しくは金のような金属であり得る。ガラス製ロッドチューブおよびスリーブは接着剤で一緒に取り付け得る。外側の保持スリーブは遠位光学系を光ファイバーに取付け得る。 In a preferred embodiment, the probe further comprises a sleeve that optically isolates the delivery waveguide from the collection waveguide. The sleeve can be a metal such as palladium, silver or gold. The glass rod tube and sleeve can be attached together with an adhesive. An outer retaining sleeve can attach the distal optics to the optical fiber.
該プローブはさらに、送達ファイバーの周囲に第一の半径で同心円状に配置された第一の複数の収集ファイバー、および送達ファイバーの周囲に第一の半径より大きい第二の半径で同心円状に配置された第二の複数の収集ファイバーを含んでなる。 The probe further includes a first plurality of collection fibers disposed concentrically around the delivery fiber at a first radius, and a concentric circle disposed at a second radius greater than the first radius around the delivery fiber. A second plurality of collection fibers formed.
本発明の別の局面によれば、該プローブは2秒未満である収集時間をゲートする制御装置を包含する。一態様において光学レンズ系は10mm未満の長さを有する。好ましい一態様において光学レンズ系は4mm未満の長さを有する。遠位光学系の直径は好ましくは1〜2mmの範囲にある。該光学レンズ系は放射状方向(いずれかの軸外方向と定義し得る)の放射を送達かつ収集する。光源は750mmより長い波長を有し、好ましい一態様は830nmで発射するアルゴンレーザーポンピングTi:サファイアレーザーを使用する。代替の一態様において、785nm若しくは830nmで発射するInGaAsレーザーのようなダイオードレーザーを使用してもよい。 According to another aspect of the invention, the probe includes a controller that gates an acquisition time that is less than 2 seconds. In one aspect, the optical lens system has a length of less than 10 mm. In a preferred embodiment, the optical lens system has a length of less than 4 mm. The diameter of the distal optics is preferably in the range of 1-2 mm. The optical lens system delivers and collects radiation in a radial direction (which can be defined as any off-axis direction). The light source has a wavelength longer than 750 mm, and one preferred embodiment uses an argon laser pumped Ti: sapphire laser emitting at 830 nm. In an alternative embodiment, a diode laser such as an InGaAs laser emitting at 785 nm or 830 nm may be used.
好ましい一態様において、アテローム硬化症の診断における使用のための本発明の放射状ラマンプローブは、例えば血管造影に使用される型のカテーテルに組み込まれる。それは血液および他の液体と入れ換わりかつカテーテルを動脈中に配置するためのバルーンを包含する。好ましい一態様はバルーン膨張のためのチャンネルを包含する。さらに、該カテーテル系は血液を一時的に液体、例えば生理的食塩水で洗い流すための能力を包含する。側に若しくは45°から90°の範囲にわたる角度でのいずれかで放射状方向に励起光を向けるように1若しくは数本の光ファイバーを構成し得る。こうした一態様において、側に配置されたバルーンを使用してファイバーを動脈壁に隣接して接触させ、そして血液若しくは他の介在する液体を立ち退かす。 In a preferred embodiment, the radial Raman probe of the present invention for use in the diagnosis of atherosclerosis is incorporated into a catheter of the type used, for example, for angiography. It includes a balloon to replace blood and other fluids and place the catheter in the artery. One preferred embodiment includes a channel for balloon inflation. Furthermore, the catheter system includes the ability to flush blood temporarily with a liquid, such as physiological saline. One or several optical fibers may be configured to direct the excitation light in a radial direction, either to the side or at an angle ranging from 45 ° to 90 °. In one such embodiment, a side-positioned balloon is used to bring the fiber into contact with the arterial wall and evict blood or other intervening fluid.
あるいは、送達ファイバーは、プローブの軸に対してある角度の円形パターンに光を向けるように配置し得る。多様な収集ファイバーが、照明される周囲領域の多様な部分から同時に光を収集する。本態様において、該プローブは、光送達および/若しくは収集前に膨張されて血液および他の液体と入れ換わる膨張可能なバルーン中に囲まれる。好ましい態様において、バルーンは例えば血管造影のような動脈の応用で使用される型のものであり、そして、励起光を動脈壁まで通過させかつ動脈壁で生成されたラマン光にバルーンを通過させて収集ファイバーに戻らせるように薄い素材で作成される。 Alternatively, the delivery fiber may be positioned to direct light into a circular pattern at an angle with respect to the probe axis. Various collection fibers collect light simultaneously from various parts of the illuminated surrounding area. In this embodiment, the probe is enclosed in an inflatable balloon that is inflated to replace blood and other liquids prior to light delivery and / or collection. In a preferred embodiment, the balloon is of the type used in arterial applications such as angiography and the excitation light is passed through the arterial wall and the Raman light generated at the arterial wall is passed through the balloon. Made of thin material so that it can be returned to the collection fiber.
本発明は、ラマン分光法を使用するそれらの形態学的組成の定量的評価によるヒト冠動脈中のアテローム硬化性斑の診断的分類を包含する。ラマン分光法の迅速かつ非破壊的性質は、光ファイバー技術を使用して臨床の情況で応用される場合に冠動脈斑をin vivoで診断する機会を提供する。そのように使用されれば、本発明の好ましい態様はアテローム硬化性病変を分類し、そして斑の不安定性および疾患の進行の程度を評価するのに使用しうる泡沫細胞(FC)、壊死中心(NC)およびコレステロール結晶(CC)の存在のようなその形態学的特徴、ならびにそれにより血栓症および急性斑出血のような生命を脅かす合併症の危険のin vivoの定量的評価を提供し得る。そのように使用されれば、本発明の方法は、アテローム硬化性病変の進展における今までのところは十分に理解されていないダイナミクスならびに脂質低下および他の治療法の効果への洞察を提供しうる。 The present invention encompasses the diagnostic classification of atherosclerotic plaques in human coronary arteries by quantitative assessment of their morphological composition using Raman spectroscopy. The rapid and non-destructive nature of Raman spectroscopy provides an opportunity to diagnose coronary plaques in vivo when applied in clinical settings using fiber optic technology. When so used, preferred embodiments of the present invention classify atherosclerotic lesions, and foam cells (FC), necrotic centers (which can be used to assess plaque instability and the extent of disease progression. NC) and its morphological features such as the presence of cholesterol crystals (CC), and thereby provide an in vivo quantitative assessment of the risk of life-threatening complications such as thrombosis and acute plaque bleeding. When so used, the methods of the present invention can provide insights into the dynamics that have so far been poorly understood in the development of atherosclerotic lesions and the effects of lipid lowering and other therapies .
解剖学(狭窄の程度)よりもむしろ化学的組成および形態学がアテローム硬化性斑の不安定性を決定しかつ疾患の進行を予測する。好ましい一態様において、ラマン分光法の参照データの改変もまた、斑を含んでなる微視的形態学的構造を同定するのに使用し得、また、巨視的動脈ラマンスペクトルに対するこれらの微視的形態学的構造の相対的寄与に基づく診断アルゴリズムを使用して、動脈の病理学的状態を正確に評価し得る。 Chemical composition and morphology rather than anatomy (the degree of stenosis) determine atherosclerotic plaque instability and predict disease progression. In a preferred embodiment, modification of the Raman spectroscopy reference data can also be used to identify microscopic morphological structures comprising plaques, and these microscopic to the macroscopic arterial Raman spectra. A diagnostic algorithm based on the relative contribution of the morphological structure can be used to accurately assess the pathological state of the artery.
好ましい一態様において、主成分分析(PCA)および化学物質参照データを使用する以前の研究との比較に8種のアテローム硬化症の分類を使用する。これら8分類を3分類まで減少させる。病理学的検査に際して、FC、NCおよびCCの存在は斑の不安定性および疾患の進行の重要な予測因子である。本発明の態様は、これらの同一の形態学的構造のラマン分光学的解析が、顕微鏡検査に対する必要性を伴わずに無傷の冠動脈中のアテローム硬化性病変を診断するのに使用し得ることを示す。これは、ラマン分光法が、量的な化学的情報のみならずしかしまた血管内超音波(IVUS)、磁気共鳴画像法(MRI)および血管造影法のような現在の診断的画像化技術で容易に入手可能でないCCの存在のようなアテローム硬化性病変の組成に関する量的な形態学的情報もまた提供し得ることを示唆する。 In a preferred embodiment, eight atherosclerotic classifications are used for comparison with previous studies using principal component analysis (PCA) and chemical reference data. These 8 categories are reduced to 3 categories. Upon pathological examination, the presence of FC, NC and CC is an important predictor of plaque instability and disease progression. Aspects of the present invention show that Raman spectroscopic analysis of these identical morphological structures can be used to diagnose atherosclerotic lesions in intact coronary arteries without the need for microscopy. Show. This is because Raman spectroscopy is easy not only with quantitative chemical information but also with current diagnostic imaging techniques such as intravascular ultrasound (IVUS), magnetic resonance imaging (MRI) and angiography. It also suggests that quantitative morphological information regarding the composition of atherosclerotic lesions, such as the presence of CC not available, may also be provided.
好ましい一態様において、正常およびアテローム硬化性動脈組織のin situの細胞および細胞外の形態学的成分のスペクトルのシグネチャを、共焦点ラマン顕微鏡検査を使用して測定する。特異的な形態学的構造は、正常な動脈の構造(例えば弾性板)中でのそれらの役割および/若しくはアテローム硬化性斑形成(例えば泡沫細胞、壊死中心、コレステロール結晶)により選択される。12種の生化学的成分の基礎スペクトルの一次結合の最小二乗法最小化は、多様な形態学的構造の生化学的組成に関する情報を提供する。これらの生化学的成分は、それらが正常動脈組織および/若しくはアテローム硬化性斑中で高濃度で存在することが既知であった(例えばコラーゲン、エラスチン、ならびに遊離およびエステル化コレステロール)ため、またはそれらが強いラマン散乱体である(例えばβ−カロチン)ために選択される。動脈の乾燥重量の3%に寄与しうるグリコサミノグリカン(例えばヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、デルマタン硫酸およびヘパラン硫酸)は、おそらくそれらが弱いラマン散乱体であり(すなわちそれらは小ラマン断面を有し)かつ参照データから排除されたため、生化学的モデルおよび参照データのフィットに有意に寄与しなかった。 In a preferred embodiment, the spectral signatures of normal and atherosclerotic arterial tissue in situ cells and extracellular morphological components are measured using confocal Raman microscopy. Specific morphological structures are selected by their role in normal arterial structures (eg elastic lamina) and / or atherosclerotic plaque formation (eg foam cells, necrotic centers, cholesterol crystals). Least squares minimization of the linear combination of the fundamental spectrum of 12 biochemical components provides information on the biochemical composition of various morphological structures. These biochemical components were known to exist in high concentrations in normal arterial tissue and / or atherosclerotic plaques (eg, collagen, elastin, and free and esterified cholesterol) or Is a strong Raman scatterer (eg β-carotene). Glycosaminoglycans (eg hyaluronic acid, chondroitin sulfate, dermatan sulfate and heparan sulfate) that can contribute 3% of the dry weight of arteries are probably weak Raman scatterers (ie they have a small Raman cross section) ) And was excluded from the reference data, so it did not contribute significantly to the fit of the biochemical model and the reference data.
本発明の態様はラマンスペクトルを形態学に関して解釈する。例えば、ラマンスペクトルは形態学的構造、例えば特定の化合物と関連し得る泡沫細胞と関連付けることができる。さらに、例えば多数の化学物質スペクトルから形態学的構造と関連するわずか8種の独特のスペクトルまでスペクトルの数を減少させてそれによりフィット(fit)の誤差を減少させ得る。本発明の光ファイバーカテーテル系を使用して脆弱な斑を同定かつモニターするのに利用可能である診断法は、化学的組成、形態学的構造、内膜層の肥厚化および上にかぶさるコラーゲン層の薄化についての情報の使用を包含する。好ましい態様はコラーゲンの割合を測定することによるコラーゲンの深さの決定を包含する。さらに、石灰化の存在をモニターし、また、いかなる縁も潜在的破裂および血餅の指標として同定かつコラーゲンに関して位置を突き止める。さらに、非石灰化斑中のコラーゲン線維の減少した部分的な(fractional)フィットの寄与率は、低下した斑安定性の表示である。 Embodiments of the present invention interpret Raman spectra with respect to morphology. For example, a Raman spectrum can be associated with a morphological structure, such as foam cells that can be associated with a particular compound. In addition, the number of spectra can be reduced, for example, from multiple chemical spectra to as few as eight unique spectra associated with morphological structures, thereby reducing fit errors. Diagnostic methods that can be used to identify and monitor vulnerable plaques using the fiber optic catheter system of the present invention include chemical composition, morphological structure, thickening of the intima layer and overlying collagen layers. Includes the use of information about thinning. A preferred embodiment involves the determination of collagen depth by measuring the percentage of collagen. In addition, the presence of calcification is monitored, and any edges are identified and located with respect to collagen as indicators of potential rupture and clots. In addition, the reduced fractional fit contribution of collagen fibers in non-calcified plaques is an indication of reduced plaque stability.
in vivoの生物学的組織の分光法のための系および方法の前述のおよび他の特徴および利点は、付随する図面に具体的に説明されるところの該系および方法の好ましい態様の以下のより具体的な記述から明らかであろう。図面において、同様の参照文字は異なる図面を通じて同一の部品を指す。図面は必ずしも一定の率で縮尺/拡大しておらず、代わりに本発明の原理の具体的説明に力点を置いている。
[発明の詳細な説明]
本発明は組織のラマン分光法を使用するための系および方法に向けられる。適切な処置の指図において心臓専門医を補助するための血管造影カテーテルを使用するin vivoの応用のための系および方法を開発するための属性は、in vivo組織に低エネルギーレーザー光を送達しかつそれからの生じるラマンスペクトルシグネチャを効率的に収集することが可能なラマン分光法のための光ファイバープローブの開発である。好ましい態様のプローブは小型でありかつ微小光学の設計原理を使用する。
The foregoing and other features and advantages of the system and method for in vivo biological tissue spectroscopy are described below with respect to preferred embodiments of the system and method, as specifically illustrated in the accompanying drawings. It will be clear from the specific description. In the drawings, like reference characters refer to the same parts throughout the different views. The drawings are not necessarily drawn to scale, and instead focus on specific illustrations of the principles of the invention.
Detailed Description of the Invention
The present invention is directed to systems and methods for using tissue Raman spectroscopy. An attribute for developing systems and methods for in vivo applications that use angiographic catheters to assist cardiologists in assisting cardiologists is to deliver low energy laser light to in vivo tissue and then The development of an optical fiber probe for Raman spectroscopy that can efficiently collect the resulting Raman spectrum signature. The preferred embodiment probe is small and uses micro-optic design principles.
組織の診断および処置のためのラマン分光法の実施方法は、1997年4月1日交付の米国特許第5,615,673号明細書、1994年4月19日交付の米国特許第5,304,173号明細書、1992年9月3日公開の国際特許出願第WO 92/15008号明細書および1996年10月3日公開の国際特許出願第WO 96/29925号明細書(全部の参考文献の教示全体は引用することにより本明細書に組み込まれる)に記述されている。 Methods of performing Raman spectroscopy for tissue diagnosis and treatment are described in US Pat. No. 5,615,673 issued April 1, 1997, US Pat. No. 5,304 issued April 19, 1994. No. 173, International Patent Application No. WO 92/15008 published September 3, 1992 and International Patent Application No. WO 96/29925 published Oct. 3, 1996 (all references). The entire teachings of which are incorporated herein by reference).
こうしたプローブの製造において克服されるべき少なくとも2つの困難が存在する。第一のものは送達および収集ファイバーそれら自身中で生成されるスペクトルのバックグラウンドシグナルにより、それらは検査されている組織部位からのシグナルより1桁より大きいことがある。このバックグラウンドシグナルは、フューズドシリカコアからのラマン光、不純物および特定の開口数(NA)のファイバーを設計するのに使用されるドーパントからの蛍光、ならびに多様なジャケット素材からのシグナルを包含する。送達ファイバーからのレーザー光は、典型的には3ないし4メートルのファイバー中を横切る長い光路長により強いファイバーのバックグラウンドを生成させる。このファイバースペクトルは組織表面から散乱されかつ収集ファイバーにより組織のラマンスペクトルと一緒に収集され、しばしば、組織中への光の比較的短い透過によりわずかおよそ1mmのサンプルから生成される組織のラマンシグナルを遮蔽する。 There are at least two difficulties to be overcome in the manufacture of such probes. The first is due to the spectral background signal generated in the delivery and collection fibers themselves, which may be an order of magnitude greater than the signal from the tissue site being examined. This background signal includes Raman light from a fused silica core, impurities and fluorescence from dopants used to design fibers with a specific numerical aperture (NA), and signals from various jacket materials. . The laser light from the delivery fiber typically creates a strong fiber background due to the long optical path length traversing the 3 to 4 meter fiber. This fiber spectrum is scattered from the tissue surface and collected by the collection fiber along with the tissue's Raman spectrum, often resulting in a tissue Raman signal generated from a sample of only about 1 mm due to the relatively short transmission of light into the tissue. Shield.
加えて、組織から後方散乱されるレーザー光もまた収集ファイバーにより収集され、そしてこの散乱されたレーザー光は収集ファイバー中で発する付加的なファイバースペクトルを生じさせ、それは検出器に達する組織のスペクトルの質をさらに損なう。目的のスペクトルを不鮮明にしかつ歪ませることに加え、強いファイバーのバックグラウンドはシグナルにあるレベルのショートノイズを付加し、そしてこのノイズはしばしば組織のラマンバンドより大きくなり得る。送達および収集ファイバー双方を解析することは、それら双方がほぼ等しい量のこのファイバースペクトルのバックグラウンドを生じさせることを示す。好ましい一態様において、2種の異なるフィルター(一方は送達向けおよび一方は収集向け)を使用して、望ましくないファイバーのバックグラウンドを抑制する。さらに、送達ファイバー中で生成されるより長波長のスペクトルのバックグラウンドを遮断しつつレーザー励起光を伝播する短波長通過型若しくは帯域通過フィルターで送達ファイバーを終端させることが望ましい。好ましい一態様において、収集ファイバーは、組織から後方散乱されるレーザー光を遮断しつつ組織のラマンスペクトルを伝播する長波長通過型フィルターすなわちノッチフィルターにより先行され得る。使用されるいかなるフィルターも、それらが接続されるファイバーの許容角度(NA)に対応するある範囲の角度にわたって適切な機能もまた発揮する。 In addition, laser light backscattered from the tissue is also collected by the collection fiber, and this scattered laser light produces an additional fiber spectrum that emits in the collection fiber, which is the spectrum of the tissue that reaches the detector. The quality is further impaired. In addition to blurring and distorting the spectrum of interest, a strong fiber background adds some level of short noise to the signal, and this noise can often be greater than the tissue Raman band. Analyzing both the delivery and collection fibers shows that they both produce approximately equal amounts of this fiber spectrum background. In a preferred embodiment, two different filters (one for delivery and one for collection) are used to suppress unwanted fiber background. In addition, it is desirable to terminate the delivery fiber with a short wavelength pass or band pass filter that propagates the laser excitation light while blocking the longer wavelength spectral background generated in the delivery fiber. In a preferred embodiment, the collection fiber can be preceded by a long wavelength pass or notch filter that propagates the Raman spectrum of the tissue while blocking the laser light backscattered from the tissue. Any filters used will also perform adequately over a range of angles corresponding to the allowable angles (NA) of the fibers to which they are connected.
第二の困難はシグナル収集に関する。これは2成分を有し、その第一のものはラマン効果の固有に弱い性質に関する。10億の励起光子ごとからおよそただ1個がラマン光子に変換される。好ましい一態様において、ハイスループット光プローブ装置は、臨床上現実的な時間枠で有用であるのに十分なS/N比(SNR)でシグナルを収集する。臨床上有用かつ商業的に実現可能であるために、好ましい一態様はおよそ1〜2秒で高SNRスペクトルを収集する。第二の成分もまた、光を大きな面積および角度にわたって広範に拡散させることをもたらす組織中の吸収および散乱によりさらに損なわれる収集の至適化を取り扱う。 The second difficulty relates to signal collection. This has two components, the first of which relates to the inherently weak nature of the Raman effect. Approximately one out of every billion excitation photons is converted to Raman photons. In a preferred embodiment, the high-throughput optical probe device collects signals with a signal-to-noise ratio (SNR) sufficient to be useful in a clinically realistic time frame. In order to be clinically useful and commercially feasible, one preferred embodiment collects a high SNR spectrum in approximately 1-2 seconds. The second component also deals with optimization of collection that is further impaired by absorption and scattering in the tissue resulting in a diffuse spread of light over a large area and angle.
好ましい一態様において、光学系の収集能力は、ほぼ収集面積(A)および立体角(Ω)の積(AΩ積)により与えられるそのスループットにより制限される。AΩ積は系全体で保存される。典型的なラマン分光法の系において、スループットは分光器/CCD収集検出系により決定される。好ましい一態様において、分光器は、16mmの最大スリット高を伴いΩ=0.242srの立体角に対応するf/1.8(NA=0.278)である。生物学的ラマン分光法に十分なスペクトル分解能を達成するために0.2mmのスリット幅を使用する。従って、最大収集面積はA=3.2mm2であり、AΩ=0.77mm2−srの理論的最大スループットをもたらす。好ましい一態様において、輝度がどうあろうとも入射励起光により組織中で生成される有効なラマン光源が至適に収集されることを確実にするためにCCD検出器を使用する。光は1つの大きな面積および4πの立体角にわたり発射されると考えられるが、しかし、収集角2πにより制限される。従って、収集立体角と面積との間の至適のトレードオフが本発明の好ましい態様において決定される。 In a preferred embodiment, the collection capacity of the optical system is limited by its throughput given approximately by the product of the collection area (A) and the solid angle (Ω) (AΩ product). The AΩ product is preserved throughout the system. In a typical Raman spectroscopy system, the throughput is determined by a spectrometer / CCD acquisition detection system. In a preferred embodiment, the spectrometer is f / 1.8 (NA = 0.278) corresponding to a solid angle of Ω = 0.242 sr with a maximum slit height of 16 mm. A slit width of 0.2 mm is used to achieve sufficient spectral resolution for biological Raman spectroscopy. Therefore, the maximum collecting area is A = 3.2 mm 2, resulting in a theoretical maximum throughput of AΩ = 0.77mm 2 -sr. In a preferred embodiment, a CCD detector is used to ensure that the effective Raman light source generated in the tissue by incident excitation light is optimally collected, whatever the brightness. Light is believed to be emitted over one large area and a solid angle of 4π, but is limited by the collection angle 2π. Thus, the optimal tradeoff between collected solid angle and area is determined in a preferred embodiment of the present invention.
好ましい一態様の系において、分光器/CCDはよりハイスループットの系により置換される。例えば1つのこうした配置は一連のダイクロイックビームスプリッター、フィルターおよびフォトダイオードよりなる。フィルター波長は、最小数の波長で多変量スペクトル解析を至適化するように決定される。検出器要素の波長および帯域幅の正確な数は検知されるべき化学的/形態学的構造のスペクトルの特徴に依存する。こうした系は、従来技術の分光器/CCD系よりはるかにより大きなスループットをもたらし、かつ、より小さく、より安価で、そして冷却を必要とせず、嵩高さおよび費用をさらに排除する。 In a preferred embodiment system, the spectrometer / CCD is replaced by a higher throughput system. For example, one such arrangement consists of a series of dichroic beam splitters, filters, and photodiodes. The filter wavelength is determined to optimize multivariate spectral analysis with a minimum number of wavelengths. The exact number of wavelengths and bandwidths of the detector elements depends on the spectral characteristics of the chemical / morphological structure to be detected. Such a system provides much greater throughput than prior art spectrometer / CCD systems, and is smaller, cheaper and does not require cooling, further eliminating bulk and cost.
図1Aおよび1Bは、本発明の好ましい一態様のラマン散乱光のそれぞれ放射状および角度の分布についての血液組織の混濁サンプルのラマン発射データの論理、シミュレーションおよび結果の比較を図で具体的に説明する。生物学的組織は類似の細胞およびそれらを取り巻く細胞間物質の集合体である。体内の4種の基本的組織は、上皮組織;血液、骨および軟骨を包含する結合組織;筋組織;ならびに神経組織を包含する。角膜を除く大部分の組織は混濁している。それらが微視的構造およびそれらの中に含有される屈折係数の変動により高度の弾性散乱を表し、そして従ってこうした組織に入る光が大きく拡散されるためである。従って、該サンプルは図1A、1B、10A〜10C、38A〜38Eで混濁サンプルと特徴付けられる。好ましい一態様において、例えばモンテカルロシミュレーションのようなシミュレーションを実施して、励起光およびラマン散乱光双方の空間的および放射状の分布を予測する。好ましい一態様において、放射状の分布は図1Aに示されるとおりほぼガウス分布である一方、角度の分布は図1Bに示されるとおりランバーティアンである。これらのパラメータ、および光学系を通って伝播されている光の面積および立体角の積の変換を包含する光学的スループット定理を使用して、至適の収集面積および角度が決定される。積AΩは一定でありかつAおよびΩの至適の組合せの選択は図10A〜10Cに示されるとおり重要であることが認識されるべきである。好ましい一態様において、およそ0.35mmの半径および55°の収集パラメータが血液組織に至適である。動脈組織の至適の収集パラメータはおよそ0.4mmの半径および20°である。その後に、解析の結果を例えばZemaxプログラムのような光学的設計プログラムに取り込んで最大のシグナル収集に適切な光学系を決定する。 1A and 1B graphically illustrate the comparison of the logic, simulation, and results of Raman emission data of a turbid sample of blood tissue for the radial and angular distributions of Raman scattered light, respectively, according to a preferred embodiment of the present invention. . Biological tissue is a collection of similar cells and the intercellular material surrounding them. The four basic tissues in the body include epithelial tissue; connective tissue including blood, bone and cartilage; muscle tissue; and nerve tissue. Most tissues except the cornea are cloudy. This is because they exhibit a high degree of elastic scattering due to microscopic structures and variations in the refractive index contained therein, and thus the light entering such tissues is greatly diffused. Thus, the sample is characterized as a turbid sample in FIGS. 1A, 1B, 10A-10C, 38A-38E. In a preferred embodiment, a simulation such as a Monte Carlo simulation is performed to predict the spatial and radial distribution of both excitation light and Raman scattered light. In a preferred embodiment, the radial distribution is approximately Gaussian as shown in FIG. 1A, while the angular distribution is Lambertian as shown in FIG. 1B. Using these parameters and an optical throughput theorem that involves a transformation of the product of the area and solid angle of light propagating through the optical system, the optimal collection area and angle are determined. It should be appreciated that the product AΩ is constant and the selection of the optimal combination of A and Ω is important as shown in FIGS. 10A-10C. In a preferred embodiment, a radius of approximately 0.35 mm and a collection parameter of 55 ° is optimal for blood tissue. Optimal acquisition parameters for arterial tissue are a radius of approximately 0.4 mm and 20 °. Thereafter, the results of the analysis are incorporated into an optical design program such as Zemax program to determine the appropriate optical system for maximum signal collection.
図38Aは、本発明の好ましい一態様の励起およびラマン散乱光の放射状の分布についての図1Aに関して記述された血液組織と対照的な動脈組織の混濁サンプルのラマン発射データ1360の結果を図で具体的に説明する。曲線1362は3種のガウス分布フィットを使用するフィットを具体的に説明する。さらに、図38Bは、本発明の好ましい一態様の励起およびラマン散乱光の角度分布についての動脈組織の混濁サンプルのラマン発射データ1360の結果を図で具体的に説明する。血液組織の分布および収集効率を具体的に説明する図10A〜10Cと同様に;図38C〜38Eは、本発明の好ましい一態様の動脈組織のそれぞれ積分済放射状分布、積分済角度分布および至適化した収集効率の図解である。 FIG. 38A graphically illustrates the results of Raman firing data 1360 of a turbid sample of arterial tissue as opposed to blood tissue described with respect to FIG. 1A for the excitation and radial distribution of Raman scattered light of one preferred embodiment of the present invention. I will explain it. Curve 1362 illustrates a fit using three Gaussian distribution fits. FIG. 38B further illustrates graphically the results of Raman firing data 1360 of a turbid sample of arterial tissue for the angular distribution of excitation and Raman scattered light according to a preferred embodiment of the present invention. Similar to FIGS. 10A-10C, which specifically illustrate blood tissue distribution and collection efficiency; FIGS. 38C-38E illustrate integrated radial distribution, integrated angular distribution, and optimality of arterial tissue, respectively, according to a preferred embodiment of the present invention. It is an illustration of the collected collection efficiency.
光学素子を使用して、組織から収集された光をプローブ中の光ファイバーの遠位端に伝達する。その後、ファイバー束の近位端を分光器の形状、面積およびNAと一致するように再成形する。光透過効率を減少させずかつ有効なカップリングを提供するようにこれらの手順に従う。収集ファイバーのNAおよび収集ファイバーの直径の選択は、分光計のNA、所望のスペクトル分解能、および光学系の整合の考慮、ならびにフィルター入射角により設定される限界により決定される。系のトレードオフは選ばれた分光器を包含し、また、所望の分解能がスリット幅を決定する。出力端では収集ファイバーが一直線に配置され、これは整合光学系により入口スリット上に画像化される。スループット定理を考慮すれば、収集ファイバーに対する要件は、ファイバーのNAおよび直径の積が分光計のNAおよびスリット幅の積に等しいことを包含する。ファイバー直径がスリット幅に等しくかつファイバーのNAが分光計のNAに等しいという、より強い条件を満足するファイバーを選択する場合は整合光学系を使用する必要性が排除され、そしてプローブが分光計中に直接接続される。積の要件のみが満足され得る場合には整合光学系が必要とされる。代替の一態様において、分光計は湾曲スリットを使用し、そして収集ファイバーの出力端はいかなるスリット形状にも一致するよう改変し得る。収集ファイバーの数の上限は、スリット高若しくはCCDチップのいずれか小さい方より小さいファイバーアレイ画像の高さにより定義される。しかしながら、収集先端中で利用可能な空間により、より小さい限界が設定されるかもしれない。 Optical elements are used to transmit light collected from the tissue to the distal end of the optical fiber in the probe. The proximal end of the fiber bundle is then reshaped to match the shape, area and NA of the spectrometer. These procedures are followed to provide effective coupling without reducing light transmission efficiency. The choice of collection fiber NA and collection fiber diameter is dictated by limitations set by spectrometer NA, desired spectral resolution, and optics matching considerations, and filter incident angle. The system trade-off includes the chosen spectrometer and the desired resolution determines the slit width. At the output end, the collection fibers are arranged in a straight line, which is imaged on the entrance slit by the alignment optics. Considering the throughput theorem, the requirements for the collection fiber include that the product of fiber NA and diameter is equal to the product of spectrometer NA and slit width. The need to use matching optics is eliminated when selecting a fiber that satisfies the stronger condition that the fiber diameter is equal to the slit width and the NA of the fiber is equal to the NA of the spectrometer, and the probe is in the spectrometer. Connected directly to. Matching optics are required if only product requirements can be met. In an alternative embodiment, the spectrometer uses a curved slit and the output end of the collection fiber can be modified to match any slit shape. The upper limit on the number of collection fibers is defined by the height of the fiber array image, which is smaller than the slit height or the CCD chip, whichever is smaller. However, less space may be set by the space available in the collection tip.
図2A〜2Cは、該系の好ましい一態様の冠動脈の形態学的モデルおよび参照のグラフ表示30、40、50である。該研究は斑の安定性および斑の進行の決定で生化学的組成を使用する。形態学的因子は、Cardiovascular Pathology 10(2001)69−82に発表されたところのHendrik P.Buschmanらによる“Raman microspectroscopy of human coronary atherosclerosis:Biochemical assessment of cellular and extracellular morphologic structures in−situ”およびCardiovascular Pathology 10(2001)59−68に発表されたところのHendrik P.Buschmanらによる“Diagonosis of human coronary atherosclerosis by morphology−based Raman spectroscopy”(それらの完全な教示は引用することにより本明細書に組み込まれる)で論考されている。 2A-2C are morphological models and reference graphical representations 30, 40, 50 of coronary arteries of one preferred embodiment of the system. The study uses biochemical composition in determining plaque stability and plaque progression. Morphological factors are described in Hendrik P. et al., Published in Cardiovascular Pathology 10 (2001) 69-82. By Buschman et al. “Raman microspectroscopy of human corrosary aerosclerosis: Biochemical assessment of cellular 10” As discussed by Buschman et al., “Diagonosis of human coronary aerosclerosis by morphology-based Raman spectroscopy”, the full teachings of which are incorporated herein by reference.
図3は、本発明の好ましい一態様の冠動脈のラマン形態計測法のグラフ表示60である。正常動脈、非石灰化斑を有する動脈および石灰化斑中の多様な状態に対して相対的フィット係数をプロットする。 FIG. 3 is a graphical representation 60 of the coronary Raman morphometry method of one preferred embodiment of the present invention. Relative fit factors are plotted against various conditions in normal arteries, arteries with non-calcified plaques and calcified plaques.
血管内の応用の好ましい態様により、例えば限定されるものでないが拡散源から収集するように設計された光学的フィルタリングおよび高スループット光学系を挙げることができるパラメータの全部が、先端の直径を増大させること若しくはその可撓性を損なうことなく達成される。多くの従来技術の商業的プローブは785nmの励起で使用されるように設計されている。本発明の方法は、785nmの励起で組織中で生成される蛍光バックグラウンドが830nmの励起で生成されるものより少なくとも4倍より大きいという認識を包含する。785nmで稼働させることはより長いデータ取得時間を必要とし、それはin vivoの応用を禁止する。稼働波長が長くなるほど蛍光バックグラウンドに関して良好になる。好ましい一態様において、830nmの使用は、シリコンの帯域ギャップにより支配されるシリコンベースの電荷結合素子(CCD)検出器の基礎的な長波長限界(1100nm)により支配される。代替の好ましい態様は、適切な検出器技術とともに785nm若しくは1064nmの励起光を使用し得る。 Depending on the preferred aspect of the endovascular application, all of the parameters that can include, for example but not limited to, optical filtering and high-throughput optics designed to collect from a diffusion source increase the tip diameter. Or without sacrificing its flexibility. Many prior art commercial probes are designed to be used with 785 nm excitation. The method of the present invention encompasses the recognition that the fluorescence background generated in tissue with 785 nm excitation is at least four times greater than that generated with 830 nm excitation. Operating at 785 nm requires longer data acquisition times, which prohibits in vivo applications. The longer the operating wavelength, the better the fluorescence background. In a preferred embodiment, the use of 830 nm is governed by the fundamental long wavelength limit (1100 nm) of silicon-based charge-coupled device (CCD) detectors that are dominated by the silicon band gap. Alternative preferred embodiments may use 785 nm or 1064 nm excitation light with appropriate detector technology.
本発明の好ましい一態様は、数秒若しくはそれ未満のデータ収集時間を可能にするための、光ファイバーのバックグラウンドを除去し、例えば冠動脈カテーテル留置での使用を助長するために剛性の遠位先端の長さを数mm未満におよび直径を約2mmに制限し、830nmの励起を使用し、そして拡散源からのシグナル収集を最大にする光ファイバーラマンプローブを包含する。 One preferred aspect of the present invention is to remove the fiber optic background to allow data collection time of a few seconds or less, e.g. length of rigid distal tip to facilitate use in coronary catheter placement. It includes a fiber optic Raman probe that limits the thickness to less than a few millimeters and a diameter of about 2 mm, uses excitation at 830 nm, and maximizes signal collection from the diffusion source.
好ましい一態様はロッドおよびチューブの構成を包含し、そこでは光学フィルターモジュールのロッドおよびチューブは個別に被覆され、それは2種の個別のコーティングすなわち励起光をフィルタリングするための中央の1個および収集した光をフィルタリングするための縁の1個を有する単一円板をコーティングすることより容易である。これらの態様は個々のファイバーを被覆することより好ましい。フィルターは増大された表面積によりより良好に付着し得るためである。加えて、ツートーンの円板は単一円板を被覆することより好ましい。段差若しくは重なる領域を伴わずに滑らかな円形界面をもつ小さな直径上に同心円状コーティングを付着させることが困難であるためである。さらに、3メートルのファイバー長を付着コーティングチャンバーに入れることは困難である。各フィルターは多量の誘電体薄膜を包含し得る。こうした薄膜フィルターはResearch Electtro−Optics Inc,コロラド州ボールダーにより二次加工され得る。 One preferred embodiment includes a rod and tube configuration, in which the rod and tube of the optical filter module are individually coated, which is two separate coatings, a central one for filtering excitation light and a collection. It is easier than coating a single disc with one of the edges for filtering light. These embodiments are preferred over coating individual fibers. This is because the filter can adhere better due to the increased surface area. In addition, a two-tone disc is preferred over a single disc. This is because it is difficult to deposit a concentric coating on a small diameter with a smooth circular interface without steps or overlapping regions. Furthermore, it is difficult to put a 3 meter fiber length into the deposition coating chamber. Each filter may contain a large amount of dielectric thin film. Such thin film filters can be secondary processed by Research Electro-Optics Inc, Boulder, Colorado.
図4A〜4Bはラマンプローブを包含する好ましい一態様の装置のそれぞれ長軸方向および横断面図である。装置70は、送達および収集ファイバー中のファイバーのラマンバックグラウンドを最小にしかつ好ましくは排除するための2片の多(例えば二)波長の微小光学誘電体フィルターモジュールを包含する。このモジュールは、チューブの1平面上に収集誘電体コーティングを運搬するチューブ78中に嵌合された、1平面上に励起誘電体フィルターコーティングを運搬するロッド82よりなる。ロッドおよびチューブは、集成前にそれらのそれぞれのフィルターで個別に被覆されているサファイア若しくはフューズドシリカのいずれかから製造される態様で使用される。ロッドは構成部品間の至適の隔離を提供するように金属の薄いシート80で包まれ若しくは被覆される。その後、該モジュールを、プローブの遠位端に、ファイバー束と例えばボールレンズのようなレンズ86を有する光線を平行にするためのレンズ系との間に配置する。レンズは励起および収集領域に効果的に重なる大きな角度かつ大きな面積から光を収集する。ボールレンズはEdmund Industrial Optics、ニュージャージー州により二次加工かつ供給される。好ましい一態様において、抗反射コーティングで被覆されかつ適切な角度の許容度指数例えば1.77を有するサファイアレンズは、MK Photonics、ニューメキシコ州アルバカーキにより二次加工される。このスケールの高品質干渉フィルターを得ることは高価であるとは言え、フィルターの費用は被覆される片の数に依存せず、従って、一度に多くのフィルターを被覆してそれにより各プローブの組立費用を低下させることが可能である。さらに、付加的なコーティング作業により多様な応用のためのより小さな直径のプローブを創製するようにフィルターの大きさを調節し得る。好ましい一態様において、ファイバーとの適正なレジストレーションのために、フィルターをサファイア若しくはクォーツ製のロッドおよびチューブに付着させる。 4A-4B are longitudinal and cross-sectional views, respectively, of a preferred embodiment of a device that includes a Raman probe. Device 70 includes a two-piece multi- (e.g., two-wavelength) micro-optic dielectric filter module to minimize and preferably eliminate the Raman background of the fiber in the delivery and collection fibers. This module consists of a rod 82 that carries the excitation dielectric filter coating on one plane, fitted in a tube 78 that carries the collection dielectric coating on one plane of the tube. The rods and tubes are used in a manner that is manufactured from either sapphire or fused silica that are individually coated with their respective filters prior to assembly. The rod is wrapped or covered with a thin sheet of metal 80 to provide optimal isolation between components. The module is then placed at the distal end of the probe between the fiber bundle and a lens system for collimating a light beam having a lens 86 such as a ball lens. The lens collects light from a large angle and large area that effectively overlaps the excitation and collection regions. Ball lenses are secondarily processed and supplied by Edmund Industrial Optics, NJ. In a preferred embodiment, a sapphire lens coated with an anti-reflective coating and having an appropriate angular tolerance index, such as 1.77, is fabricated by MK Photonics, Albuquerque, NM. Although obtaining a high quality interference filter of this scale is expensive, the cost of the filter does not depend on the number of pieces to be coated, so it can coat many filters at once, thereby assembling each probe. Costs can be reduced. In addition, the filter size can be adjusted to create smaller diameter probes for a variety of applications with additional coating operations. In a preferred embodiment, the filter is attached to sapphire or quartz rods and tubes for proper registration with the fiber.
図4Cおよび4Dは、レンズ系に付着された放物面状鏡を有する代替の好ましい一態様のそれぞれ長軸方向図および横断面図である。収集角は0ないしおよそ55°の範囲にあることができ、およそ1mmの収集直径を伴う。放物面状鏡はより広範な角度およびより大きな面積から光を収集する。 4C and 4D are a longitudinal view and a cross-sectional view, respectively, of an alternative preferred embodiment having a parabolic mirror attached to the lens system. The collection angle can range from 0 to about 55 ° with a collection diameter of about 1 mm. Parabolic mirrors collect light from a wider range of angles and larger areas.
これらのフィルターを組み込む励起および収集ファイバーの透過特性を図5に示し、ここで0cm−1=830nmである。 The transmission characteristics of the excitation and collection fibers incorporating these filters are shown in FIG. 5, where 0 cm −1 = 830 nm.
好ましい態様により、ファイバー直径および開口数(NA)の選択は、以下の考慮、例えばファイバーのラマンシグナル(望ましくないバックグラウンドを生じさせる)がNAの二乗に比例しかつファイバー直径に依存しないこと、低いNAがより良好であること、および直径は影響を有しないことにより支配される。 According to a preferred embodiment, the choice of fiber diameter and numerical aperture (NA) is low, such as the following considerations, eg, the fiber Raman signal (which produces undesirable background) is proportional to the square of NA and independent of fiber diameter The NA is governed by better and the diameter has no effect.
励起ファイバーについてはより低いNAのファイバーを使用することが有用であるが、しかしながら、それと論争する論点が存在する。入力端で、それはファイバー中へのエネルギーのカップリングをより困難にする。好ましい一態様において、低ビーム発散を伴うレーザーで励起する場合、ファイバーおよび整合光学系の取付における理にかなった注意がこの問題を回避する。出力端ではビームはより制限される。これはファイバーの構成をより単純かつより効率的にするが、しかし、より小さい面積(スポット)に入射ビームの出力を限定することにより組織損傷の可能性を最小にするためにより大きな面積を照明することもまた重要であり得る。しかしながら、組織上に入射するより小さい直径のレーザー励起光スポットさえ、前述の弾性散乱の混濁性によりより大きな面積(典型的には1/2〜1mm直径)を包含するよう広がり、従ってこの考慮を緩和する。好ましい一態様において、より大きな直径のファイバー若しくは分配された多数のより小さなファイバーを使用する。好ましい態様は、低NAファイバーが、コアで使用されているドーパントおよびNAを低下させるファイバーのクラッドにより引き起こされる増大したスペクトルバックグラウンドを典型的に表し、そしてこれゆえに励起ファイバーについて穏当なコアサイズおよびNAを使用するという事実と釣り合わせる。 For the pump fiber, it is useful to use a lower NA fiber, however, there is a disputed point therewith. At the input end, it makes the coupling of energy into the fiber more difficult. In one preferred embodiment, reasonable attention in mounting the fiber and alignment optics avoids this problem when excited with a laser with low beam divergence. The beam is more limited at the output end. This makes the fiber configuration simpler and more efficient, but illuminates a larger area to minimize the potential for tissue damage by limiting the incident beam power to a smaller area (spot). It can also be important. However, even smaller diameter laser excitation light spots incident on the tissue will spread to encompass a larger area (typically 1 / 2-1 mm diameter) due to the turbidity of the elastic scattering described above, and thus this consideration will be reduced. ease. In a preferred embodiment, larger diameter fibers or a number of distributed smaller fibers are used. A preferred embodiment is that low NA fibers typically exhibit an increased spectral background caused by the dopant used in the core and the cladding of the fiber that reduces NA, and hence a moderate core size and NA for the pump fiber. Balance with the fact of using.
収集ファイバーについては状況は異なる。収集されたラマンエネルギーはNAの二乗に比例する。従って、シグナル対バックグラウンド解析から、その大きさが分光器のNAにより制限される高NA収集ファイバーを使用することに一利点が存在する。ここで、ファイバーのNAおよびファイバーの直径の最良の選択は、分光計のNA、所望のスペクトル分解能および整合光学系の考慮、ならびにフィルターの許容角度により設定される限界により決定される。好ましい一形状においては1若しくは数本の送達ファイバーを使用する。レーザー源のエネルギーが送達ファイバー(1本若しくは複数)中に効率的にカップリングされ得るからである。しかしながら、図4Bに示されるとおり、収集面積を増大させるためにより多数の収集ファイバーが重要である。ラマン光の収集を至適化することが重要であるため、収集面積が最大にされる。全部のこれらの考慮を考慮に入れて、送達ファイバー(1本若しくは複数)の数および直径を最小に保ち、同じだけの収集ファイバーのための光ファイバープローブの利用可能な断面積を使用することが最良である。 The situation is different for collecting fibers. The collected Raman energy is proportional to the square of NA. Thus, from signal versus background analysis, there is one advantage in using a high NA collection fiber whose size is limited by the NA of the spectrometer. Here, the best choice of fiber NA and fiber diameter is determined by the limits set by the spectrometer NA, the desired spectral resolution and alignment optics considerations, and the allowable angle of the filter. In one preferred configuration, one or several delivery fibers are used. This is because the energy of the laser source can be efficiently coupled into the delivery fiber (s). However, as shown in FIG. 4B, a greater number of collection fibers is important to increase the collection area. Since it is important to optimize the collection of Raman light, the collection area is maximized. Taking into account all these considerations, it is best to keep the number and diameter of the delivery fiber (s) to a minimum and use the available cross-section of the fiber optic probe for the same collection fiber It is.
好ましい態様は以下のトレードオフを包含する。選ばれた分光計について、所望の分解能がスリット幅を決定する。再度スループット定理を考慮すれば、収集ファイバーに対する要件は、ファイバーのNAおよび直径の積が分光計のNAおよびスリット幅の積に等しいことである。ファイバー直径がスリット幅に等しくかつファイバーのNAが分光計のNAに等しい、より攻撃的な条件を満足するファイバーを選ぶことが可能である場合は整合光学系を使用する必要性が排除され、そしてプローブを分光計に直接接続し得る。積の要件のみが満足され得る場合には整合光学系が必要とされる。出力端では収集ファイバーが一直線に配置され、それは整合光学系により入口スリット上で画像化される。ときに分光計は湾曲スリットを使用し;収集ファイバーの出力端はいかなるスリット形状にも一致するように改変し得る。収集ファイバーの数に対する上限は、ファイバーアレイ画像の高さがスリット高さ若しくはCCDチップのいずれか小さい方よりも小さいことである。しかしながら収集先端中で利用可能な空間により、より小さい限界が設定されるかもしれない。 Preferred embodiments include the following trade-offs. For the selected spectrometer, the desired resolution determines the slit width. Again considering the throughput theorem, the requirement for the collection fiber is that the product of the fiber NA and diameter is equal to the product of the spectrometer NA and slit width. The need to use alignment optics is eliminated if it is possible to choose a fiber that satisfies the more aggressive conditions where the fiber diameter is equal to the slit width and the NA of the fiber is equal to the NA of the spectrometer, and The probe can be connected directly to the spectrometer. Matching optics are required if only product requirements can be met. At the output end, the collection fiber is arranged in a straight line, which is imaged on the entrance slit by the alignment optics. Sometimes the spectrometer uses a curved slit; the output end of the collection fiber can be modified to match any slit shape. The upper limit on the number of collection fibers is that the height of the fiber array image is smaller than the slit height or the CCD chip, whichever is smaller. However, less space may be set by the space available in the collection tip.
好ましい一態様において、プローブのファイバー区分は0.22のNAおよび200μmのコア直径をもつ単一の中央励起ファイバーを包含する。ファイバーの緩衝層は、適正なファイバー/フィルターのレジストレーションを助長するために励起フィルターロッドの直径に合致され、そして収集ファイバーからの光学的隔離を提供するためのアルミニウム製ジャケットを有する。200μmのコア直径の収集ファイバーは代替の二態様において2種の異なる形状に配置される。第一の態様はそれぞれ内側および外側環の10および17本のファイバーの2個の同心円状リングよりなる。第二の態様は15本の収集ファイバーの単リングを有する。第二の設計はわずかに低下した収集効率を有するとは言え、それはより可撓性でありかつ短い曝露時間に高SNRスペクトルを収集することがなお可能である。収集ファイバーは全部、それらが図4A〜4Dに具体的に説明されるところの至適のスループットのために分光器にf/#整合されるような0.26のNAを有する。好ましい一態様におけるプローブの直径は、冠動脈への到達のために2mm未満である。 In a preferred embodiment, the fiber section of the probe includes a single central excitation fiber having a NA of 0.22 and a core diameter of 200 μm. The fiber buffer layer is matched to the diameter of the excitation filter rod to facilitate proper fiber / filter registration and has an aluminum jacket to provide optical isolation from the collection fiber. Collection fibers with a core diameter of 200 μm are arranged in two different shapes in two alternative embodiments. The first embodiment consists of two concentric rings of 10 and 17 fibers in the inner and outer rings, respectively. The second embodiment has a single ring of 15 collection fibers. Although the second design has a slightly reduced collection efficiency, it is more flexible and is still capable of collecting high SNR spectra in short exposure times. The collection fibers all have a 0.26 NA such that they are f / # matched to the spectrometer for optimal throughput as specifically illustrated in FIGS. The diameter of the probe in a preferred embodiment is less than 2 mm for reaching the coronary artery.
好ましい一態様は、多様な光学素子を使用して所望のAΩ積を収集し得るようなハイスループット収集のための光学系の特定の選択に関する柔軟性を提供する。好ましい一態様において、ボールレンズは、図1A〜1Bおよび4A〜4Bに示されるところの大きな角度にわたってなお収集しつつ血液組織について0.35mm(動脈組織について0.4mm)の半径にわたる計算された収集に緊密に合致する前面観察(front viewing)光ファイバープローブに高度に効率的な収集を提供する。サンプルとレンズとの間に小空間が維持される場合に30%より大きい収集効率が、組織と接触する(ありうるかつより再現可能なin vivoの配置)場合に10%より大きい収集効率が達成される。組織と接触したプローブを用いる好ましい一態様で得られる高質のスペクトルを図6に提示し、これは100mWの励起力で1秒で収集した非石灰化アテローム硬化性斑のラマンスペクトルを示す。対照的に、図7は、同一の励起力で10秒での別の好ましい態様の系で取った正常動脈のスペクトルを示す。 One preferred aspect provides flexibility with respect to the particular choice of optics for high-throughput collection such that a variety of optical elements can be used to collect the desired AΩ product. In a preferred embodiment, the ball lens is calculated collected over a radius of 0.35 mm for blood tissue (0.4 mm for arterial tissue) while still collecting over a large angle as shown in FIGS. 1A-1B and 4A-4B. Provides a highly efficient collection for front-viewing fiber optic probes that closely match. A collection efficiency greater than 30% is achieved when a small space is maintained between the sample and the lens, and a collection efficiency greater than 10% is achieved when in contact with the tissue (possible and more reproducible in vivo arrangement). Is done. A high quality spectrum obtained in one preferred embodiment using a probe in contact with tissue is presented in FIG. 6, which shows the Raman spectrum of non-calcified atherosclerotic plaques collected in 1 second with an excitation power of 100 mW. In contrast, FIG. 7 shows the spectrum of a normal artery taken with another preferred embodiment system at the same excitation force at 10 seconds.
図8は、本発明の好ましい一態様の組織測定系を具体的に説明する図解である。アルゴンポンピングTi:サファイアレーザー系若しくはダイオードレーザーのような750nmより長い波長で発射する光源206を使用する。ダイオードレーザーは、例えばProcess Instruments、ユタ州ソルトレークシティにより二次加工されるような785nm若しくは830nmで発射するInGaAsレーザーであってもよい。レーザー出力は帯域通過フィルタリングされ、そしてプローブ204中に包含される送達光ファイバー中にカップリングされる。プローブ204を動脈202に挿入して例えば動脈中の斑の蓄積を診断かつおそらく治療する。図15は、本発明の好ましい一態様のプローブを示す冠動脈の一部分の部分断面図である。該系はガイドワイヤおよび大きな動脈を通すためのガイドカテーテルを包含してよい。好ましい一態様において、脂肪物質416により部分的に遮断されている動脈中で、ガイドワイヤが最初に次いでバルーン420を包含するカテーテルが動脈中に伸長される。プローブアセンブリはカテーテルの先端に収容されており、そして収集ウィンドウ418を有する。バルーンが動脈414に一旦進入すれば、プローブアセンブリは外科医に動脈の断面図を提供する。バルーンは一時的に血流を遮断して明瞭な視野を提供し、プローブを安定させかつ心の動きの影響を最小にする。好ましい態様においては蛍光マーカーを使用してもよい。光が組織に入射し、そして組織からのラマン散乱光を収集光ファイバーにより収集する。収集された光はノッチフィルタリングされかつ分光計の入口スロットに投影される。ノッチフィルターはRayleigh散乱レーザー光を除去する。分光器の内側で回折格子が光をCCD検出器228に分散させる。CCDインターフェースならびにデータ記憶および処理がパーソナルコンピュータのようなコンピュータで提供される。Princeton Instrumentsにより提供されるWinspecソフトウェアのようなプログラムを使用して、データ処理および記憶機能を実行するパーソナルコンピュータにCCDインターフェースを接続し得る。代替の態様においては、National Instruments、テキサス州オースチンによるLabviewプログラムを使用してCCDインターフェースをパーソナルコンピュータに接続する。ラマンシグナルをCCDから読み取り、コンピュータにより収集し、そして後の解析のためのコンピュータで読み出し可能媒体に記憶させるか、若しくは臨床の情況ではリアルタイム解析に使用してもよい。 FIG. 8 is an illustration for specifically explaining a tissue measurement system according to a preferred embodiment of the present invention. A light source 206 emitting at a wavelength longer than 750 nm is used, such as an argon pumped Ti: sapphire laser system or a diode laser. The diode laser may be an InGaAs laser emitting at 785 nm or 830 nm, for example, as secondary processed by Process Instruments, Salt Lake City, Utah. The laser output is bandpass filtered and coupled into a delivery optical fiber that is included in the probe 204. Probe 204 is inserted into artery 202 to diagnose and possibly treat, for example, plaque buildup in the artery. FIG. 15 is a partial cross-sectional view of a portion of a coronary artery showing a probe according to a preferred embodiment of the present invention. The system may include a guide wire and a guide catheter for passing large arteries. In a preferred embodiment, in an artery that is partially occluded by fatty material 416, a guide wire is first extended and then a catheter containing balloon 420 is extended into the artery. The probe assembly is housed at the tip of the catheter and has a collection window 418. Once the balloon has entered the artery 414, the probe assembly provides the surgeon with a cross-sectional view of the artery. The balloon temporarily blocks blood flow to provide a clear field of view, stabilizes the probe and minimizes the effects of heart movement. In a preferred embodiment, a fluorescent marker may be used. Light is incident on the tissue and Raman scattered light from the tissue is collected by a collecting optical fiber. The collected light is notch filtered and projected onto the entrance slot of the spectrometer. The notch filter removes Rayleigh scattered laser light. A diffraction grating disperses the light into the CCD detector 228 inside the spectroscope. A CCD interface and data storage and processing are provided on a computer such as a personal computer. A program such as Winspec software provided by Princeton Instruments may be used to connect the CCD interface to a personal computer that performs data processing and storage functions. In an alternative embodiment, the CCD interface is connected to a personal computer using the Labview program by National Instruments, Austin, Texas. The Raman signal may be read from the CCD, collected by a computer, and stored on a computer readable medium for later analysis, or used for real-time analysis in clinical situations.
図9は、本発明の好ましい一態様の組織を通って拡散する励起光を具体的に説明する。図10A〜10Cは、本発明の好ましい一態様の血液組織についてのそれぞれ積分済放射状分布、積分済角度分布、および至適化した収集効率の図解である。図10Cはそれぞれ図10Aおよび10Bに具体的に説明されるAおよびΩを変動させるがしかし積AΩを一定にかつ分光器のものに等しく保つことにより収集効率を具体的に説明する。スループット定理によりエタンデュが保存され、ここでエタンデュは面積および立体角の積である。放射状および角度の分布が積分され、そしてそれらの積が至適化曲線300を決定する。収集光学系は効率曲線300の極大で実施するよう設計される。動脈組織についての類似のグラフでの具体的説明を図38C〜38Eに提供する。 FIG. 9 illustrates the excitation light diffusing through the tissue of one preferred embodiment of the present invention. 10A-10C are illustrations of the integrated radial distribution, integrated angular distribution, and optimized collection efficiency, respectively, for blood tissue according to one preferred embodiment of the present invention. FIG. 10C illustrates the collection efficiency by varying A and Ω, specifically illustrated in FIGS. 10A and 10B, respectively, but keeping the product AΩ constant and equal to that of the spectrometer. Throughput theorem preserves etendue, where etendue is the product of area and solid angle. The radial and angular distributions are integrated and their product determines the optimization curve 300. The collection optics are designed to run at the maximum of the efficiency curve 300. Specific graphical illustrations for arterial tissue are provided in FIGS. 38C-38E.
図11は本発明の好ましい一態様の励起スポットの直径のグラフ表示320である。図12は本発明の好ましい一態様の組織中の励起光の分布の光線図340の具体的説明である。図13は本発明の好ましい一態様のプローブの収集効率の光線図360の具体的説明である。 FIG. 11 is a graphical representation 320 of the excitation spot diameter according to one preferred embodiment of the present invention. FIG. 12 is a specific illustration of a ray diagram 340 of the distribution of excitation light in the tissue of one preferred embodiment of the present invention. FIG. 13 is a specific illustration of a ray diagram 360 of the collection efficiency of the probe of one preferred embodiment of the present invention.
図14は本発明の好ましい一態様のプローブの収集効率を図で具体的に説明する。組織および空気について測定された分布からの効率を具体的に説明する。プローブの全部の構成部品は、標準的な冷気体、エチレンオキサイド滅菌に耐え得る医療等級素材から構成される。例えば低温滅菌処理系のようなSteris Corporation of Ohioにより提供されるところの代替の滅菌方法を使用し得る。プローブ先端中のフィルターモジュールが集成されかつ指数整合セメントのような高純度ケイ酸ナトリウムを使用してファイバー束に接着される。ラマン分光法における指数整合セメントとしてのケイ酸ナトリウムの利点は独特であり、そしてその利用性は現在の応用の先を行く。該利点は、干渉ラマンスペクトルを生じさせないこと、フューズドシリカのものに近い屈折指数を有しておりそれにより合せ面からの反射の喪失を大きく低下させること、近IRで低い光吸収を有し、従ってそれは認識しうる吸収の喪失を導入しないこと、関与する小型光学系構成部品の集成を助長する結合特性を有すること、およびそれが多くの工業的応用での使用と取引において許容される物品であることを包含する。 FIG. 14 is a diagram illustrating the collection efficiency of the probe according to one preferred embodiment of the present invention. The efficiency from the distribution measured for tissue and air is specifically described. All components of the probe are constructed from medical grade materials that can withstand standard cold gas, ethylene oxide sterilization. Alternative sterilization methods such as those provided by Steris Corporation of Ohio, such as a pasteurization treatment system may be used. The filter module in the probe tip is assembled and bonded to the fiber bundle using high purity sodium silicate such as index matching cement. The advantages of sodium silicate as an index matching cement in Raman spectroscopy are unique and its utility goes beyond current applications. The advantages are that it does not produce an interference Raman spectrum, has a refractive index close to that of fused silica, thereby greatly reducing the loss of reflection from the mating surface, and has low light absorption at near IR. And therefore it does not introduce any appreciable loss of absorption, has a binding property that facilitates the assembly of the miniature optical components involved, and it is acceptable for use in many industrial applications and transactions It is included.
ケイ酸ナトリウムは、代替の酸化ナトリウム中で、水、二酸化ケイ素および水酸化ナトリウムの多様な組合せを混合することにより創製される三元の化合物である。最終生成物の光学的および機械的特性はこれらの比を変動させることにより調節し得る。他のアルカリケイ酸塩、例えばケイ酸リチウム、ケイ酸カリウムは類似の特性を有し、そしてある種の応用でまた使用し得る。 Sodium silicate is a ternary compound created by mixing various combinations of water, silicon dioxide and sodium hydroxide in alternative sodium oxide. The optical and mechanical properties of the final product can be adjusted by varying these ratios. Other alkali silicates such as lithium silicate, potassium silicate have similar properties and may also be used in certain applications.
レンズの湾曲により提供されるレンズの効果を損ない得る指数整合が存在しないようにボールレンズとフィルターとの間にいかなる接着剤も有しないことが重要である。レンズは、本発明の好ましい一態様に従って、襞付け保持スリーブで保護されかつ液体がプローブ先端中に漏出することを防止するために医療等級エポキシで封止される。 It is important not to have any adhesive between the ball lens and the filter so that there is no exponential matching that can detract from the lens effect provided by the curvature of the lens. The lens is sealed with a medical grade epoxy in accordance with a preferred embodiment of the present invention to protect it with a brazed retaining sleeve and prevent liquid from leaking into the probe tip.
好ましい態様のプローブのモジュールの性質は非常に融通が利きかつ多くの光学的態様を適応させ得る。側方観察プローブ(side−viewing probe)の付加的な態様、ならびに代替の応用のための他の前方観察の態様が本発明の系に包含される。例えば、角度を付けられかつ鏡を付けられたボールレンズ、プリズム若しくは微小光学的放物線状鏡の使用が効率的な側方観察プローブを可能にする。テーパー付き先端は光学的乳房生検のためのニードルプローブへの組み込みを可能にし、また、代替の好ましい一態様におけるわずかにより小さい直径は乳管内視鏡検査による乳房分析を可能にする。他の潜在的用途は、皮膚分析、経皮的血液被検体モニタリングおよび胃腸癌の評価のためである。 The module nature of the preferred embodiment probe is very flexible and can accommodate many optical embodiments. Additional aspects of side-viewing probes, as well as other forward observation aspects for alternative applications, are encompassed by the system of the present invention. For example, the use of angled and mirrored ball lenses, prisms or micro-optical parabolic mirrors allows for efficient side observation probes. The tapered tip allows for incorporation into a needle probe for optical breast biopsy, and a slightly smaller diameter in an alternative preferred embodiment allows breast analysis by ductoscopy. Other potential uses are for skin analysis, transcutaneous blood analyte monitoring, and assessment of gastrointestinal cancer.
図16は、本発明の好ましい一態様のレーザー出力のボールレンズからのシグナル450および関数を具体的に説明する。前方観察ラマンプローブは、励起光を集中させかつ組織からのラマンシグナルを収集するのにサファイアボールレンズを使用する。サファイアレンズからのラマンスペクトルは、収集されたシグナルを励起レーザー出力に関して較正してそれにより強度情報を得るための内部標準として使用し得る。この強度情報は典型的には生物学的ラマン分光法で活用されないが、しかし高められた診断力を提供し得る。グラフのプロットは、好ましい一態様のラマンプローブおよび臨床的ラマン系で取ったデータを使用して生成され、そして、サファイアレンズからのシグナルの大きさをプローブが空中で保持される際の励起力の関数として表す。それは本発明の好ましい一態様を使用して組織に送達される出力を測定するための天然の内部標準を暗示する。 FIG. 16 illustrates the signal 450 and function from the laser output ball lens of one preferred embodiment of the present invention. The forward viewing Raman probe uses a sapphire ball lens to concentrate the excitation light and collect the Raman signal from the tissue. The Raman spectrum from the sapphire lens can be used as an internal standard to calibrate the collected signal with respect to the excitation laser power and thereby obtain intensity information. This intensity information is typically not exploited in biological Raman spectroscopy, but can provide enhanced diagnostic power. A plot of the graph is generated using data taken with a preferred embodiment of the Raman probe and a clinical Raman system, and the magnitude of the signal from the sapphire lens is shown as the excitation force as the probe is held in the air. Express as a function. It implies a natural internal standard for measuring the power delivered to the tissue using a preferred embodiment of the present invention.
図17は、好ましい一態様のプローブ472および実験系474を使用して収集した正常動脈からのデータの比較を図で具体的に説明する。ラマンプローブの機能を示しかつ検証するために類似の型の組織を検査する。類似のスペクトルが得られることが示され、そして該スペクトルのS/N比(SNR)(より大きなSNRがより少ないノイズを有する系に変わりかつより良好な性能を示すために系の性能の一表示である)もまた検査される。 FIG. 17 illustrates graphically a comparison of data from normal arteries collected using a preferred embodiment of the probe 472 and experimental system 474. A similar type of tissue is examined to demonstrate and verify the function of the Raman probe. A similar spectrum has been shown to be obtained and the S / N ratio (SNR) of the spectrum (an indication of the system's performance in order to convert a higher SNR to a system with less noise and show better performance) Are also inspected.
図18は、本発明のプローブを用いて検査した正常乳房組織のラマンスペクトル490を図で具体的に説明する。該プローブが疾患の診断のための複数の用途を有することを示すために動脈以外の組織を検査した。該プローブは乳癌の早期診断のための乳管内視鏡検査手順で使用し得る。 FIG. 18 specifically illustrates a Raman spectrum 490 of normal breast tissue examined using the probe of the present invention. Tissues other than arteries were examined to show that the probe has multiple uses for disease diagnosis. The probe may be used in a ductal endoscopy procedure for early diagnosis of breast cancer.
図19は、本発明の好ましい一態様により悪性であると診断されかつ本発明の参照データにより予測されるところの乳癌のラマンスペクトルの比較を図で具体的に説明する。好ましい一態様のプローブを使用して収集したところのデータ502を参照データにより生成させたデータ504と比較する。参照データ係数を表1に表にまとめる。 FIG. 19 illustrates graphically a comparison of breast cancer Raman spectra as diagnosed as malignant according to a preferred embodiment of the present invention and as predicted by the reference data of the present invention. Data 502 collected using a preferred embodiment of the probe is compared to data 504 generated by reference data. The reference data coefficients are summarized in Table 1.
図20は 本発明の好ましい一態様のプローブを用いて収集した石灰化大動脈のデータとの形態学的参照データの比較を図で具体的に説明する。図20は、100mWの励起力で1秒でラマンプローブおよび臨床的ラマン系を用いて得た石灰化大動脈のラマンスペクトル522を具体的に説明する。形態学的参照データとのフィットをスペクトル524として示す。残差スペクトル526を同一スケールで下にプロットする。残差中の特徴の欠如は観察されたデータと参照データとの間の高レベルの一致を示し、実験的in vitro系を用いて発生させた本発明の好ましい態様の参照データを好ましい態様のラマンプローブで取ったデータに適用し得ることを証明する。残差スペクトル526中にいかなるプローブバックグラウンドに対応する特徴も存在しないこともまた注目すべきであり、いかなる残りのフィルタリングされていないバックグラウンドノイズも正確に除去し得ることを示す。さらに、疾患に罹った動脈から得たラマンスペクトルは、正常動脈から得たスペクトルに比較して同じくらい拡散せず、従ってより良好なレベルのS/N比(SNR)をもつスペクトルを提供する。SNRは組織のラマン断面および光の分布の双方により影響を受けることに注目すべきである。 FIG. 20 illustrates the comparison of morphological reference data with calcified aorta data collected using the probe of one preferred embodiment of the present invention. FIG. 20 illustrates the Raman spectrum 522 of the calcified aorta obtained using a Raman probe and a clinical Raman system in 1 second with an excitation power of 100 mW. A fit with morphological reference data is shown as spectrum 524. The residual spectrum 526 is plotted below on the same scale. The lack of features in the residual indicates a high level of agreement between the observed data and the reference data, and the preferred embodiment reference data generated using an experimental in vitro system is Prove that it can be applied to the data taken by the probe. It should also be noted that there is no feature corresponding to any probe background in the residual spectrum 526, indicating that any remaining unfiltered background noise can be accurately removed. Furthermore, the Raman spectrum obtained from diseased arteries is not as diffuse as that obtained from normal arteries, thus providing a spectrum with a better level of signal-to-noise ratio (SNR). It should be noted that SNR is affected by both the Raman cross section of the tissue and the light distribution.
好ましい一態様において、アテローム硬化症の診断における使用のための本発明の非アキシャルラマンプローブが、例えば血管造影に使用される型のカテーテルに組み込まれる。それは血液および他の液体を立ち退かし、かつ動脈中にカテーテルを配置するためのバルーンを包含する。好ましい一態様はバルーン膨張のためのチャンネルを包含する。さらに、該カテーテル系は液体例えば生理的食塩水で一時的に血液を洗い流すための能力を包含する。側若しくは45°から90°の範囲にわたる角度のいずれかで非軸方向に励起光を向けるように1若しくは数本の光ファイバーを構成し得る。こうした好ましい一態様において、側に配置されるバルーンを使用してファイバーを動脈壁に隣接して接触させ、また、血液若しくは他の介在する液体を立ち退かす。 In a preferred embodiment, the non-axial Raman probe of the present invention for use in the diagnosis of atherosclerosis is incorporated into a catheter of the type used, for example, for angiography. It includes a balloon for evicting blood and other fluids and placing a catheter in the artery. One preferred embodiment includes a channel for balloon inflation. In addition, the catheter system includes the ability to flush blood temporarily with a liquid such as physiological saline. One or several optical fibers may be configured to direct the excitation light in a non-axial direction either at the side or at an angle ranging from 45 ° to 90 °. In one such preferred embodiment, a side-positioned balloon is used to bring the fiber into contact with the arterial wall and evict blood or other intervening fluid.
あるいは、送達ファイバーはプローブの軸に対しある角度で円形のパターンで光を向けるよう配置し得る。多様な収集ファイバーが、照明された外周領域の多様な部分から同時に光を収集する。本態様において、プローブは、光送達および/若しくは収集前に膨張されて血液および他の液体を立ち退かす膨張可能なバルーン中に封入される。好ましい態様において、バルーンは例えば血管造影のような動脈の応用で使用される型のものであり、そして励起光に動脈壁を通過させかつ動脈壁で生成されたラマン光にバルーンを通過させて収集ファイバーに戻らせるように薄い素材で作成される。 Alternatively, the delivery fiber may be arranged to direct light in a circular pattern at an angle to the probe axis. Various collection fibers collect light simultaneously from various portions of the illuminated perimeter region. In this embodiment, the probe is encapsulated in an inflatable balloon that is inflated prior to light delivery and / or collection to eradicate blood and other fluids. In a preferred embodiment, the balloon is of the type used in arterial applications, such as angiography, and collected by passing excitation light through the artery wall and Raman light generated at the artery wall through the balloon. Made of thin material so that it can be returned to the fiber.
図21Aは、本発明の系の組織測定用の側方観察プローブの代替の好ましい一態様の長軸方向図550を具体的に説明する。該態様は角度を付けられた側の表面が楕円形にされている改変アキシコン556を包含する。図21Bおよび21Cは、周囲の画像を提供するための角度を付けられた表面上の湾曲の最低2種の異なる半径を包含する好ましい代替の態様である。周囲の画像化は、一態様において、およそ45°から90°の角度の範囲にわたるビームを提供すること、および周囲の画像を得るようにプローブを回転させることにより得られる。あるいは、送達ファイバーは組織に光を提供し得、そして例えば6画像のような画像を収集ファイバーで収集して周囲の画像を得る。好ましい一態様において、フィルター554とアキシコン556の角度を付けられた部分との間の容積は固体ガラス、好ましくはサファイアを含んでなり、ここで光の再方向付け(redirection)が全体内部反射を介して発生する。 FIG. 21A illustrates a longitudinal view 550 of an alternative preferred embodiment of a lateral observation probe for tissue measurement of the system of the present invention. The embodiment includes a modified axicon 556 in which the angled surface is oval. FIGS. 21B and 21C are preferred alternative embodiments that include a minimum of two different radii of curvature on the angled surface to provide a surrounding image. Ambient imaging is obtained in one aspect by providing a beam over a range of angles of approximately 45 ° to 90 ° and rotating the probe to obtain an ambient image. Alternatively, the delivery fiber can provide light to the tissue and an image, such as 6 images, is collected with the collection fiber to obtain a surrounding image. In a preferred embodiment, the volume between the filter 554 and the angled portion of the axicon 556 comprises solid glass, preferably sapphire, where light redirection is through total internal reflection. Occur.
図21Bに具体的に説明されるところの代替の好ましい態様において、アキシコン556の角度を付けられた表面562が映され、それは反射を可能にする。レーザー光は組織564上に放射状にすなわち非軸方向に向けられる。さらに、表面565は楕円形でありかつサファイアを使用して二次加工される。フィルター554とアキシコン556との間の容積は満たされていても若しくは空であってもいずれでもよい。図21Cに具体的に説明されるところの本態様は、スペクトルのデータが取得されている間に動脈中に液体例えば生理的食塩水を流すため若しくはバルーンを膨張させて血流を一時的に遮断するために使用し得る開放の中央チャンネル558、566を提供する。中央チャンネル558、566が使用される場合には、プローブは、中央チャンネルの外周の周囲に数本の励起ファイバーを配置することを包含する。アキシコンの焦点は調節可能である。前の態様に記述されたフィルターのチューブ中ロッドの形状は、チューブ中チューブの形状、すなわち中央チャンネルのための中央の孔をもつ励起フィルターの中央チューブおよび収集フィルターのための外側のチューブに改変される。 In an alternative preferred embodiment, as specifically illustrated in FIG. 21B, the angled surface 562 of the axicon 556 is imaged, which allows reflection. The laser light is directed radially or non-axially on the tissue 564. Further, surface 565 is elliptical and is fabricated using sapphire. The volume between the filter 554 and the axicon 556 may be filled or empty. This embodiment, which is specifically illustrated in FIG. 21C, temporarily blocks blood flow to flow fluid, such as saline, into the artery while the spectral data is acquired or by inflating a balloon. Open central channels 558, 566 are provided that can be used to If central channels 558, 566 are used, the probe includes placing several excitation fibers around the periphery of the central channel. The focus of the axicon is adjustable. The shape of the rod in the tube of the filter described in the previous embodiment is modified to the shape of the tube in tube, ie the central tube of the excitation filter with the central hole for the central channel and the outer tube for the collection filter. The
図21Dは、本発明の好ましい一態様の側方観察プローブすなわち非軸方向観察プローブ、ならびに組織612の一部分上に光を送達するカテーテル610、および組織から収集されかつ第二の表面上の1点で再画像化されるラマン光の好ましい一態様の図を具体的に説明する。該側方観察プローブはその観察開口部から横断する側方を見る素子に隣接して設置された膨張可能なバルーン614若しくは可撓性ワイヤを包含する。バルーンの膨張若しくはワイヤの屈曲に際して、該開口部が押されて動脈壁616と接触して、血液と入れ換わりかつ/若しくは十分に定義された収集形状を確立する。 FIG. 21D illustrates a side or non-axial viewing probe of one preferred embodiment of the invention, and a catheter 610 that delivers light onto a portion of tissue 612, and a point on the second surface collected from the tissue. The figure of the preferable one aspect | mode of the Raman light re-imaged by (1) is demonstrated concretely. The side viewing probe includes an inflatable balloon 614 or a flexible wire placed adjacent to a side-viewing element transverse to the viewing opening. Upon balloon inflation or wire bending, the opening is pushed into contact with the arterial wall 616 to replace blood and / or establish a well-defined collection shape.
上に簡潔に論考したとおり、最近の研究は、解剖学(狭窄の程度)よりはむしろ化学的組成および形態学がアテローム硬化性斑の不安定性を決定しかつ疾患の進行ならびに血栓および急性斑出血のような生命を脅かす合併症の危険を予測することを示している。例えば、コレステロールエステルの存在は斑を軟化させるかもしれない一方、結晶を含まないコレステロールは反対の影響を有するかもしれない。ラマン分光法は、図35Fおよび35Gに具体的に説明されるとおり遊離コレステロールからコレステロールエステルを同定し得る。従来技術の臨床診断技術は斑の解剖学の正確な評価を提供するが、しかしin vivoの斑の形態学を評価する限られた能力を有する。さらに、血管内超音波(IVUS)、MRIおよび血管造影法のような従来技術の診断的画像化技術は、管腔の狭窄の程度についての解剖学的情報を優勢に提供するが、しかし病変の組成について限られた情報のみを生じる。冠動脈血管造影法(未だ、冠動脈疾患を診断するための「黄金基準」)は管腔の狭窄の程度を示すが、しかし斑についての化学的若しくは形態学的情報を提供しない。事実、不安定なアテローム硬化性斑はしばしば血管造影において「無症状」である。臨床使用で現在最も正確かつ定量的な技術、IVUSは、血管内カテーテルにより送達される音波の反射を使用して組織密度を精査し、そして画像化情報を提供する。それは、血管造影上正常に見える冠動脈中の広範囲のアテローム硬化症を示すことによりアテローム硬化症の理解を大きく前進させた。しかしながら、IVUSは粥腫中心の存在を同定し得るとは言え、それは泡沫細胞(FC)若しくはコレステロール結晶(CC)を特異的に同定し得ず、そしていかなる化学的情報も提供しない。MRIは非侵襲的技術であるという利点を有し、そして、磁場勾配を適用することにより生成される電波を使用して再度、組織密度を精査しかつ画像化情報を提供する。IVUSと同様、それは解剖学およびより小さい程度まで形態学を解析するのに使用し得る。しかしながら、臨床で使用される慣習的なプロトンMRI技術は化学シフト情報をほとんど無視かつしばしば抑制する。従って、現在、斑の形態学および化学的組成は、動脈内膜切除術若しくは粥腫切除術後の摘出された組織の顕微鏡検査によってのみ評価し得る。 As briefly discussed above, recent studies have shown that chemical composition and morphology rather than anatomy (the degree of stenosis) determine atherosclerotic plaque instability and disease progression and thrombus and acute plaque bleeding Like to predict the risk of life-threatening complications. For example, the presence of cholesterol esters may soften plaques, while cholesterol without crystals may have the opposite effect. Raman spectroscopy can identify cholesterol esters from free cholesterol as illustrated in FIGS. 35F and 35G. Prior art clinical diagnostic techniques provide an accurate assessment of plaque anatomy, but have limited ability to assess in vivo plaque morphology. In addition, prior art diagnostic imaging techniques such as intravascular ultrasound (IVUS), MRI and angiography predominately provide anatomical information about the extent of luminal stenosis, but of lesions. Only produces limited information about the composition. Coronary angiography (still a “golden standard” for diagnosing coronary artery disease) indicates the degree of luminal stenosis, but does not provide chemical or morphological information about the plaque. In fact, unstable atherosclerotic plaques are often “asymptomatic” in angiography. IVUS, the most accurate and quantitative technology currently in clinical use, reviews the tissue density using the reflection of sound waves delivered by an intravascular catheter and provides imaging information. It has greatly advanced understanding of atherosclerosis by showing widespread atherosclerosis in the coronary arteries that appear normal on angiography. However, although IVUS can identify the presence of an atheroma center, it cannot specifically identify foam cells (FC) or cholesterol crystals (CC) and does not provide any chemical information. MRI has the advantage of being a non-invasive technique and again uses radio waves generated by applying a magnetic field gradient to scrutinize tissue density and provide imaging information. Like IVUS, it can be used to analyze anatomy and morphology to a lesser extent. However, conventional proton MRI techniques used in the clinic almost ignore and often suppress chemical shift information. Thus, at present, plaque morphology and chemical composition can only be assessed by microscopic examination of the removed tissue after endarterectomy or atherectomy.
本発明の好ましい態様は、光ファイバー技術を使用して潜在的にin vivoで実施し得るラマン分光法を使用する冠動脈中のアテローム硬化症の形態学に基づく診断方法を包含する。好ましい一態様において、正常なおよび外植された移植レシピエントの心(n=16)からの多様な疾患進行段階のアテローム硬化症の冠動脈サンプル(n=165)からラマン組織スペクトルを収集する。弾性板(EL)、コラーゲン線維(CF)、平滑筋細胞(SMC)、外膜脂肪細胞(adipocyte)(AA)すなわち脂肪細胞(fat cell)、泡沫細胞(FC)、壊死中心(NC)、コレステロール結晶(CC)、β−カロチン含有結晶(β−C)およびカルシウム鉱質化(CM)からのラマンスペクトルを線形最小二乗法最小化(LSM)モデルの基礎スペクトルとして使用して、該冠動脈組織スペクトルへのこれらの形態学的構造の寄与を計算する。好ましい態様は、多様な形態学的構造のフィットの寄与率(fit−contribution)を使用して非アテローム硬化性、石灰化斑、若しくは非石灰化粥腫斑のいずれかとして一組の初期較正データ中の97種の冠動脈サンプルを分類する一連の診断のインストラクションを包含する。該一連のインストラクションは現在、68種の冠動脈サンプルのうち64種(94%)をプロスペクティブに分類する。ラマン分光法は、摘出および顕微鏡検査に対する必要性を伴わずに無傷のヒト冠動脈の形態学的組成についての情報を提供する。従って、好ましい一態様は、ラマン分光法を使用して、in vivoでアテローム硬化性の冠動脈病変の形態学的組成を解析しかつ斑の不安定性および疾患の進行を評価する。 Preferred embodiments of the present invention include diagnostic methods based on the morphology of atherosclerosis in coronary arteries using Raman spectroscopy, which can potentially be performed in vivo using fiber optic technology. In a preferred embodiment, Raman tissue spectra are collected from various disease progression stage atherosclerotic coronary artery samples (n = 165) from normal and explanted transplant recipient hearts (n = 16). Elastic plate (EL), collagen fiber (CF), smooth muscle cell (SMC), outer membrane adipocyte (AA) or fat cell (fat cell), foam cell (FC), necrotic center (NC), cholesterol The Raman spectra from crystals (CC), β-carotene-containing crystals (β-C) and calcium mineralization (CM) are used as the basis spectra of the linear least squares minimization (LSM) model to coronary tissue spectra Calculate the contribution of these morphological structures to A preferred embodiment is a set of initial calibration data as either non-atherosclerotic, calcified plaques, or non-calcified plaques using fit-contributions of various morphological structures. Includes a series of diagnostic instructions to classify the 97 coronary artery samples in it. The series of instructions currently prospectively classifies 64 (94%) of 68 coronary artery samples. Raman spectroscopy provides information about the morphological composition of intact human coronary arteries without the need for excision and microscopy. Accordingly, one preferred embodiment uses Raman spectroscopy to analyze the morphological composition of atherosclerotic coronary lesions in vivo and assess plaque instability and disease progression.
本発明は数学的参照データの改変を使用するラマン分光法による冠動脈からの病変の組成に関する定量的な形態学的情報を取得することを包含する。この形態学的情報を診断の目的上使用し得る。ラマン分光法により得られた化学的および形態学的情報は、ヒト冠動脈疾患の診断的評価の基礎となり得る。 The present invention involves obtaining quantitative morphological information regarding the composition of lesions from coronary arteries by Raman spectroscopy using a modification of mathematical reference data. This morphological information can be used for diagnostic purposes. Chemical and morphological information obtained by Raman spectroscopy can be the basis for diagnostic evaluation of human coronary artery disease.
原則として、アテローム硬化性病変の組成に関する定量的な化学的および形態学的双方の情報を同一のラマンスペクトルから得ることができる。本発明の好ましい一態様は、基本の組として生化学的成分よりもむしろ形態学的構造のスペクトルを使用してラマン組織スペクトルをモデル化することにより、冠動脈組織を解析する。参照データの基礎スペクトルは、コラーゲン線維(CF)、内部および外部弾性板(EL)、平滑筋細胞(SMC)、外膜脂肪細胞(adipocyte)(AA)すなわち脂肪細胞(fat cell)、泡沫細胞(FC)、壊死中心(NC)、コレステロール結晶(CC)、β−カロチン含有結晶(β−C)およびカルシウム鉱質化(CM)を包含する正常動脈壁およびアテローム硬化性斑中で普遍的に観察される形態学的構造から得られる。その後、これらの基礎スペクトルを使用して冠動脈試料の一組の初期較正のスペクトルを直線的に当てはめ得る。多様な形態学的構造のフィットの寄与率を使用して、動脈を生化学的モデル中でのようにアテローム硬化性若しくは非アテローム硬化性に分類するアルゴリズムが、好ましい一態様に包含される。好ましい態様の診断性能は、形態学に基づく参照データを、冠動脈の第二のプロスペクティブな検証の組に適用することにより試験し得る。 In principle, both quantitative chemical and morphological information regarding the composition of atherosclerotic lesions can be obtained from the same Raman spectrum. One preferred aspect of the present invention analyzes coronary artery tissue by modeling Raman tissue spectra using spectra of morphological structures rather than biochemical components as a basis set. The fundamental spectrum of the reference data includes collagen fibers (CF), internal and external elastic lamina (EL), smooth muscle cells (SMC), outer membrane adipocytes (AA) or fat cells, fat cells (foam cells) FC), necrotic centers (NC), cholesterol crystals (CC), β-carotene-containing crystals (β-C) and calcium mineralization (CM), universally observed in arterial walls and atherosclerotic plaques Obtained from the resulting morphological structure. These base spectra can then be used to linearly fit a set of initial calibration spectra for a coronary artery sample. An algorithm for classifying an artery as atherosclerotic or non-atherosclerotic, as in a biochemical model, using various morphological structural fit contributions is included in a preferred embodiment. The diagnostic performance of the preferred embodiment can be tested by applying morphologically based reference data to a second prospective validation set of coronary arteries.
好ましい一態様において、組織の調製は、心移植後1時間以内の外植されたレシピエントの心から、多様な段階のアテローム硬化症を表す16例の患者からのヒト冠動脈サンプル(n=200)を得ることを包含する。7例の患者が拡張型心筋症による、および9例が重症の虚血性心疾患による心不全を有した。外植心からの切開直後に動脈区分を中性緩衝生理的食塩水溶液ですすぎ、液体窒素中で急速凍結し、そして使用まで−85℃で保存した。動脈サンプルは2組で収集し、第一の組は113(較正組)、そして第二は87サンプル(プロスペクティブ検証組)を含有した。 In a preferred embodiment, the tissue preparation comprises human coronary artery samples (n = 200) from 16 patients representing various stages of atherosclerosis from the hearts of explanted recipients within 1 hour after heart transplantation. Including obtaining. Seven patients had heart failure due to dilated cardiomyopathy and nine due to severe ischemic heart disease. Immediately following the incision from the explant, the arterial section was rinsed with a neutral buffered saline solution, snap frozen in liquid nitrogen, and stored at -85 ° C until use. Arterial samples were collected in duplicate, the first set contained 113 (calibration set) and the second contained 87 samples (prospective verification set).
これらの大動脈サンプルは巨視的および微視的ラマン分光法検査で使用し得そして使用した。巨視的検査のためにはサンプル(第一および第二の組からそれぞれ97および98)を受動的に室温に加温し、長軸方向に切り開き、管腔側を上向きにアルミニウム製ホルダーに置き、そして評価されるべき領域の選択のため10倍拡大下で検査した。分光学的検査後に、検討した(interrogated)各スポットにコロイド状インクの小さな染みで印を付け、そして10%中性緩衝ホルマリン中で固定した。 These aortic samples could and could be used for macroscopic and microscopic Raman spectroscopy. For macroscopic examination, samples (97 and 98 from the first and second sets, respectively) are passively warmed to room temperature, opened in the longitudinal direction, placed in an aluminum holder with the luminal side facing up, The test was then performed under 10x magnification to select the area to be evaluated. After spectroscopic examination, each spot examined was marked with a small spot of colloidal ink and fixed in 10% neutral buffered formalin.
顕微分光計を使用するラマンスペクトルの収集のために、未染色の横断組織切片(6〜8μm)を冠動脈サンプルから切断した。各サンプルの4切片をガラス製顕微鏡スライドガラス上にマウントしそして光学顕微鏡検査のため染色した一方、連続的な未染色の横断切片をBaF2若しくはMgF2フラット(International Scientific Products、ニューヨーク州タリータウン、およびSpectra−Tech、コネチカット州スタンフォード)にマウントし、リン酸緩衝生理的食塩水(pH7.4)で湿らせたまま保ち、そして分光学的実験のため顕微鏡ステージに移した。カバーガラスは使用しなかった。白色光照明下で主要な形態学的構造を選択しかつ10倍および63倍拡大下でビデオテープに録画した。 Unstained transverse tissue sections (6-8 μm) were cut from coronary artery samples for Raman spectrum collection using a microspectrometer. Four sections of each sample were mounted on glass microscope slides and stained for light microscopy, while serial unstained transverse sections were BaF 2 or MgF 2 flats (International Scientific Products, Tarrytown, NY, And Spectra-Tech, Stanford, Conn.), Kept moist with phosphate buffered saline (pH 7.4) and transferred to a microscope stage for spectroscopic experiments. A cover glass was not used. Major morphological structures were selected under white light illumination and recorded on videotape under 10x and 63x magnification.
ホルマリン固定した巨視的組織サンプルを処理し、パラフィンに包埋しかつ印を付けた位置を通って5μm厚の切片に切断し、ヘマトキシリンおよびエオシンで染色し、そして2名の経験を積んだ心血管系病理学者により検査した。組織切片は、改訂されたSystemized Nomenclature of Human and Veterinary Medicine(医学および獣医学の体系化命名法)(SNoMed)に従って分類した。較正および検証双方のデータ組中のサンプルは(1)正常(それぞれn=12および1)、(2)内膜線維増殖(n=61および25)、(3)アテローム硬化性斑(n=3および0)、(4)粥腫斑(n=6および16)、(5)石灰化アテローム硬化性斑(n=1および3)、(6)石灰化粥腫斑(n=7および13)、(7)石灰化線維硬化性斑(n=5および10)若しくは(8)石灰化内膜線維増殖(n=2および0)のいずれかと診断した。これらの範疇のいくつかは少ないサンプル数を有したため、診断アルゴリズムの開発のために該8範疇を3診断分類に簡約した。すなわち、分類I、非アテローム硬化性組織(範疇1および2;n=73および26);分類II、非石灰化アテローム硬化性斑(範疇3および4;n=9および16);ならびに分類III、石灰化アテローム硬化性斑(範疇5〜8;n=15および26)。 A formalin-fixed macroscopic tissue sample was processed, paraffin-embedded and cut through a marked location into 5 μm thick sections, stained with hematoxylin and eosin, and two experienced cardiovascular vessels Examined by a system pathologist. Tissue sections were classified according to the revised Systemized Nomenclature of Human and Veterinary Medicine (SNoMed). Samples in both calibration and validation data sets were (1) normal (n = 12 and 1 respectively), (2) intimal fiber growth (n = 61 and 25), (3) atherosclerotic plaque (n = 3 And 0), (4) Adenoma plaques (n = 6 and 16), (5) Calcified atherosclerotic plaques (n = 1 and 3), (6) Calcified adenoma plaques (n = 7 and 13) , (7) calcified fibrosclerotic plaques (n = 5 and 10) or (8) calcified intimal fiber growth (n = 2 and 0). Since some of these categories had a small sample size, the 8 categories were reduced to 3 diagnostic categories for the development of diagnostic algorithms. Class I, non-atherosclerotic tissue (category 1 and 2; n = 73 and 26); class II, non-calcified atherosclerotic plaque (category 3 and 4; n = 9 and 16); and class III, Calcified atherosclerotic plaques (category 5-8; n = 15 and 26).
巨視的および微視的ラマンスペクトルは図22に示すラマン分光法系を使用して得た。近赤外(NIR)レーザー光(830nm)はAr+−ポンピングTi:サファイアレーザー系572、574(Coherent Innova 90/Spectra Physics 3900S、Coherent、カリフォルニア州サンタクララ)により生成させる。レーザー出力は帯域通過フィルタリング(Kaiser Optical Systems HLBF、ミネソタ州アナーバー)し、そして、プリズム578の挿入により、巨視的情況で組織サンプル上に投影したか、若しくは共焦点顕微鏡600中に投影しかつ63倍無限補正液浸対物レンズ(Zeiss Achroplan、NA 0.9)を用いて組織切片上に集中させたしたかのいずれかであった。巨視的情況では、組織(サンプリング体積1〜2mm3)からのラマン散乱光をレンズで収集し、ノッチフィルタリング588し、そしてChromex 250IS/SM分光測光計(Chromex、ニューメキシコ州アルバカーキ)の入口スリットに集中させた。顕微鏡の情況(サンプリング体積およそ2×2×2μm3)では、組織から散乱されたラマン光を、サンプル上に光を集中させるのに使用する同一の対物レンズで収集し、ピンホール(系にその共焦点の特徴を与える)を通過させ、ノッチフィルタリングし、そして分光測光計の入口スリットに投影した。分光器580の内側で、回折格子が光を−110℃に冷却された深空乏型(deep−depeletion)CCD検出器582(Princeton Instruments、ニュージャージー州プリンストン)上に分散させる。CCDインターフェース(ST130、Princeton Instruments)が、データ記憶および処理と一緒にパーソナルコンピュータ584上に与えられる。 Macroscopic and microscopic Raman spectra were obtained using the Raman spectroscopy system shown in FIG. Near-infrared (NIR) laser light (830 nm) is generated by an Ar + -pumped Ti: sapphire laser system 572,574 (Coherent Nova 90 / Spectra Physics 3900S, Coherent, Santa Clara, Calif.). The laser output was bandpass filtered (Kaiser Optical Systems HLBF, Ann Arbor, MN) and projected onto a tissue sample in a macroscopic situation with the insertion of prism 578, or projected into a confocal microscope 600 and 63 × Either focused on tissue sections using an infinite correction immersion objective (Zeiss Acroplan, NA 0.9). In the macroscopic situation, Raman scattered light from tissue (sampling volume 1-2 mm 3 ) is collected with a lens, notch filtered 588, and entrance slit of a Chromex 250IS / SM spectrophotometer (Chromex, Albuquerque, NM). Concentrated on. In the context of the microscope (sampling volume approximately 2 × 2 × 2 μm 3 ), Raman light scattered from the tissue is collected with the same objective lens used to focus the light on the sample and pinhole Giving confocal features), notch filtering, and projecting into the entrance slit of the spectrophotometer. Inside the spectrometer 580, a diffraction grating disperses the light onto a deep-depletion CCD detector 582 (Princeton Instruments, Princeton, NJ) cooled to -110 ° C. A CCD interface (ST130, Princeton Instruments) is provided on the personal computer 584 along with data storage and processing.
巨視的測定についてはレーザー出力は350mWであり、そしてシグナル収集時間は範囲10〜100sにある。微視的測定についてはレーザー出力は80〜120mWであり、そしてシグナル収集時間は60〜360sであり、また、ラマンスペクトルは400と2000cm−1との間の範囲で収集する(分解能8cm−1)。 For macroscopic measurements, the laser power is 350 mW and the signal acquisition time is in the range 10-100 s. For microscopic measurements, the laser power is 80-120 mW, the signal acquisition time is 60-360 s, and the Raman spectrum is collected in the range between 400 and 2000 cm −1 (resolution 8 cm −1 ). .
各スペクトルを周波数較正し、また、分光計系の検出における色の変動について補正する。4次の多項式を各スペクトルに当てはめ、そしてスペクトルから減算して残りの組織蛍光について補正する。巨視的組織スペクトルは、LSMによる形態学的構造の基礎スペクトルの一次結合として680〜1800cm−1のラマンシフト範囲でモデル化し得る。このラマンシフト範囲は、この範囲がほとんどのスペクトル情報を含有するために選ばれる。 Each spectrum is frequency calibrated and corrected for color variations in the detection of the spectrometer system. A fourth order polynomial is fit to each spectrum and subtracted from the spectrum to correct for the remaining tissue fluorescence. The macroscopic tissue spectrum can be modeled with a Raman shift range of 680-1800 cm −1 as a linear combination of the fundamental spectrum of the morphological structure by LSM. This Raman shift range is chosen because this range contains most of the spectral information.
形態学的構造のラマンスペクトルはそれらの最大ピーク強度に関して正規化し得る。2組のデータ中の全スペクトルは、最後の組の8種の形態学的基礎スペクトルを用いて正確にモデル化し得る。ラマンスペクトル参照データは形態学的構造の7種の部分的なフィットの寄与率を計算した。第8の構造、β−カロチンは、冠動脈のラマンスペクトルにしばしば寄与する強いラマン散乱体であるがしかし低濃度でのみ存在する。この理由から、そのスペクトルをスペクトルの参照に包含するが、しかし部分的なフィットの寄与率は計算しない。 The Raman spectra of the morphological structures can be normalized with respect to their maximum peak intensity. All spectra in the two sets of data can be accurately modeled using the last set of eight morphological basis spectra. The Raman spectrum reference data calculated the contribution of 7 partial fits of the morphological structure. The eighth structure, β-carotene, is a strong Raman scatterer that often contributes to the Raman spectrum of the coronary arteries, but is present only at low concentrations. For this reason, the spectrum is included in the spectral reference, but the partial fit contribution is not calculated.
石灰化アテローム硬化性斑中で、CMはしばしばラマン分光法により検査される組織の大きな容積を占有する。残りの非石灰化領域についての情報を得るため、および、多様な疾患分類のなかで形態学的構造の部分的なフィットの寄与率を比較するため、カルシウム鉱質化の寄与を無視して石灰化斑のスペクトルを再正規化し、そして非石灰化領域(XNCRにより示される)の形態学的構造の部分的なフィットの寄与率を計算する。 In calcified atherosclerotic plaque, CM often occupies a large volume of tissue that is examined by Raman spectroscopy. Ignore the contribution of calcium mineralization to obtain information about the remaining non-calcified areas and to compare the contribution of partial fit of morphological structures among various disease categories Spectral spectrum is renormalized and the partial fit contribution of the morphological structure of the non-calcified region (indicated by X NCR ) is calculated.
較正データ組中のスペクトルに対する各形態学的構造の相対的なフィットの寄与率を使用して、3種の診断分類の1種に組織を分類するための説明のアルゴリズム若しくは一連の説明を開発する。ロジスティック回帰分析の方法を使用して、各形態学的構造lの相対的なフィットの寄与率(Cl)の一次結合に基づき鑑別スコアRIをRi=αi+β1iC1+β2iC2+・・・・(αiは一定でありかつβliは各形態学的構造についての調節可能な係数である)として生成させることができる。ロジスティック回帰分析がフィットの寄与率の正常性についていかなる仮定も行わないため、鑑別解析にこの方法が選ばれる。 Using the relative fit contribution of each morphological structure to the spectra in the calibration data set, develop a description algorithm or series of descriptions to classify the tissue into one of three diagnostic classifications . Using the method of logistic regression analysis, the differential score R I based on the linear combination of the relative fit contributions (C l ) of each morphological structure l R i = α i + β 1i C 1 + β 2i C 2 +... (Α i is constant and β li is an adjustable coefficient for each morphological structure). Since logistic regression analysis makes no assumptions about the normality of the fit contribution rate, this method is chosen for differential analysis.
解析ツール、例えばソフトウェアパッケージSTATA(リリース5.0、Stata、テキサス州カレッジステーション)を用いる最大最尤度推定を使用して、動脈サンプルjが非アテローム硬化性である(PjI)、若しくは非石灰化アテローム硬化性斑を含有する(PjII)、若しくは石灰化アテローム硬化性斑を含有する(PjIII)確率は、総和が1になる Arterial sample j is non-atherosclerotic (P jI ) or non-lime using maximum maximum likelihood estimation using analysis tools such as software package STATA (Release 5.0, Datata, College Station, Texas) Probability of containing atherosclerotic plaques (P jII ) or containing calcified atherosclerotic plaques (P jIII ) is 1
として決定される。さらに、初期の較正データ組での最尤度比検定を使用して、どの形態学的構造の相対的なフィットの寄与率が診断に対し重要であるか、およびこれらの相対的なフィットの寄与率に対するどの診断上の閾値が最も多いサンプルを正確に分類するかを決定し得る。その後、そのように開発されたアルゴリズムを使用して、第二の検証データ組中の動脈サンプルをプロスペクティブに分類し得る。 As determined. In addition, using the maximum likelihood ratio test on the initial calibration data set, which morphological structure relative fit contributions are important to the diagnosis, and these relative fit contributions It can be determined which sample with the highest diagnostic threshold for rate is correctly classified. The algorithm so developed can then be used to prospectively classify the arterial samples in the second validation data set.
参照データ中の誤差のレベルを決定するために、使用されているスペクトルのS/N比(SNR)を解析することが必要である。形態学的参照データの微視的ラマン動脈スペクトルは自由裁量で長時間収集し得るため、それらは、本発明の好ましい一態様の8種の選択された冠動脈の形態学的構造のラマンスペクトルを図で具体的に説明する図23に具体的に説明されるとおり事実上ノイズを含まない。従って、参照中の誤差の制限する根源は無傷の動脈の巨視的スペクトル中のノイズによる。in vitro系はショットノイズが制限され、そして従っていかなる所定のサンプルについてのノイズもシグナルの平方根に等しい。標準的多変量解析技術に従えば、濃度の誤差はスペクトル中のノイズに比例する。 In order to determine the level of error in the reference data, it is necessary to analyze the S / N ratio (SNR) of the spectrum being used. Since microscopic Raman artery spectra of morphological reference data can be collected at will and for a long time, they depict the Raman spectra of the eight selected coronary artery morphological structures of a preferred embodiment of the present invention. As will be described in detail with reference to FIG. Thus, the limiting source of error in reference is due to noise in the macroscopic spectrum of intact arteries. The in vitro system is limited in shot noise, and therefore the noise for any given sample is equal to the square root of the signal. According to standard multivariate analysis techniques, the concentration error is proportional to the noise in the spectrum.
E=N×B (3)
式中、B=PT(PPT)−1は目的の形態学的基礎スペクトルの較正ベクトルであり、また、Nはサンプル中のノイズである。
E = N × B (3)
Where B = P T (PP T ) −1 is the calibration vector of the desired morphological basis spectrum and N is the noise in the sample.
上述された図2A〜2Cは、LSM参照データと一緒の3種の診断分類(正常冠動脈(図2A)、非石灰化アテローム硬化性斑(図2B)および石灰化アテローム硬化性斑(図2C))のそれぞれを表す冠動脈サンプルから収集した巨視的ラマンスペクトルを示す。実線は巨視的スペクトルでありかつ点線は参照データを暗示する。残差(データ−フィット)を同一スケール上に示す。全部のスペクトルについて、計算されるフィットは測定されたスペクトルと良好に一致し、形態学的基礎スペクトルが巨視的組織サンプルのラマンスペクトルの理にかなって完全な表示であることを示唆する。 FIGS. 2A-2C described above show three diagnostic classifications along with LSM reference data (normal coronary artery (FIG. 2A), noncalcified atherosclerotic plaque (FIG. 2B), and calcified atherosclerotic plaque (FIG. 2C). ) Shows macroscopic Raman spectra collected from coronary artery samples representing each of The solid line is the macroscopic spectrum and the dotted line implies reference data. Residuals (data-fit) are shown on the same scale. For all spectra, the calculated fit is in good agreement with the measured spectrum, suggesting that the morphological basis spectrum is a reasonable and complete representation of the Raman spectrum of the macroscopic tissue sample.
病理学者により3種の診断分類の1種に分類された較正データ組の全97種の冠動脈サンプルのラマンスペクトルを同一の方法で解析し得る。非アテローム硬化性組織(I)、非石灰化アテローム硬化性斑(II)および石灰化アテローム硬化性斑(III)中の全8種の選択された形態学的構造の相対的なフィットの寄与率の平均±平均の標準誤差をそれぞれ図24A〜24Cに示す。これらの図は、ラマン分光法のモデル化が冠動脈組織中の形態学的変化を検出することが可能であることを明瞭に示す。形態学的ラマン参照データは、予期されたとおり、非アテローム硬化性組織が主としてAA、CF、ELおよびSMCよりなったことを示した(図24A)。非アテローム硬化性動脈において、内膜は薄く、そして、従って分光学的に検査した組織体積への外膜層(比較的大量の脂肪組織を含有する)の寄与は大きい。NIRレーザー光が血管壁全体に浸透するからである。非石灰化および石灰化アテローム硬化性斑中では、形態学的ラマン参照データは疾患の進行とともに形態学的組成の劇的な変化を示した。内膜が肥厚化されている非石灰化アテローム硬化性斑においてはAAの寄与が減少した一方、FC/NCおよびCCの寄与は斑中の脂質の蓄積により増大した(図24B)。石灰化アテローム硬化性斑のラマンスペクトルはCMの寄与により支配される(図24C)。石灰化アテローム硬化性斑中のAANCRおよびCFNCRの寄与は、非石灰化アテローム硬化性斑中のAAおよびCFのものより大きい。非石灰化斑中の低下したCFNCRは低下した斑の安定性の表示である。 The Raman spectra of all 97 coronary artery samples of the calibration data set classified by the pathologist into one of three diagnostic categories can be analyzed in the same way. Contribution of relative fit of all eight selected morphological structures in non-atherosclerotic tissue (I), non-calcified atherosclerotic plaque (II) and calcified atherosclerotic plaque (III) The mean ± standard error of each is shown in FIGS. These figures clearly show that the Raman spectroscopy modeling can detect morphological changes in coronary artery tissue. Morphological Raman reference data showed that, as expected, non-atherosclerotic tissue consisted mainly of AA, CF, EL and SMC (FIG. 24A). In non-atherosclerotic arteries, the intima is thin and therefore the contribution of the outer membrane layer (containing a relatively large amount of adipose tissue) to the spectroscopically examined tissue volume is large. This is because NIR laser light penetrates the entire blood vessel wall. In non-calcified and calcified atherosclerotic plaques, morphological Raman reference data showed dramatic changes in morphological composition with disease progression. In non-calcified atherosclerotic plaques with thickened intima, the contribution of AA decreased, while the contribution of FC / NC and CC increased due to the accumulation of lipids in the plaques (FIG. 24B). The Raman spectrum of calcified atherosclerotic plaques is dominated by CM contribution (FIG. 24C). The contribution of AA NCR and CF NCR in calcified atherosclerotic plaque is greater than that of AA and CF in non-calcified atherosclerotic plaque. Reduced CF NCR in non-calcified plaques is an indication of reduced plaque stability.
動脈組織中のβ−カロチンの濃度は低いとは言え、モデル化の結果は、図25に具体的に説明されるとおり疾患分類の間でのカロチノイドの寄与の大きな差異を示した。最大の寄与は非石灰化アテローム硬化性斑で見出される。β−カロチンはNCに容易に溶解する親油性物質であるためである。 Although the concentration of β-carotene in arterial tissue is low, the modeling results showed a large difference in carotenoid contribution between disease classifications as illustrated in FIG. The greatest contribution is found in non-calcified atherosclerotic plaques. This is because β-carotene is a lipophilic substance easily dissolved in NC.
ロジスティック回帰分析を使用して、3種の診断分類へのデータの至適の分離を、最尤度比検定を使用してP<.0001を伴うCMおよびCF/NCNCR+CCNCRのフィットの寄与率を使用して得ることができる。加えて、最尤度比検定は、分類の向上が残りの形態学的構造のいずれの包含からも生じなかったことを決定した(P<.05)。鑑別スコアは、Rj1=−420.4+1870.0×(FC/NCNCR+CCNCR)−6094.3×CM、およびRj2=−8.3+23.3×(FC/NCNCR+CCNCR)+47.6×CMであることが決定される。 Using logistic regression analysis, the optimal separation of the data into the three diagnostic classifications, P <. CM and CF / NC NCR + CC NCR fit contributions with 0001 can be used. In addition, the maximum likelihood ratio test determined that no classification improvement resulted from inclusion of any remaining morphological structure (P <0.05). The differential score is R j1 = −420.4 + 1870.0 × (FC / NC NCR + CC NCR ) −6094.3 × CM, and R j2 = −8.3 + 23.3 × (FC / NC NCR + CC NCR ) +47. It is determined to be 6 × CM.
各動脈サンプルのCMおよびCF/NCNCR+CCNCRのフィットの寄与率を、対応するR1およびR2値を使用して図26Aに具体的に説明されるところの判定図にプロットし得る。非アテローム硬化性組織および非石灰化アテローム硬化性斑の領域を分離する境界はPI=PIIにより与えられ、これは等式CM=−0.07+0.31×(FC/NCNCR+CCNCR)により記述される直線である。非アテローム硬化性組織および石灰化アテローム硬化性斑の領域を分離する境界はPI=PIIIにより与えられ、そして等式CM=0.17−0.48×(FC/NCNCR+CCNCR)を有する。非石灰化アテローム硬化性斑および石灰化アテローム硬化性斑の領域を分離する直線はPII=PIIIにより与えられ、そして等式CM=−0.07+0.30×(FC/NCNCR+CCNCR)を有する。初期較正データ組中の97サンプルの95(98%)について、ラマンに基づく診断アルゴリズムにより決定した判定は病理学者のものと相関した。 The CM and CF / NC NCR + CC NCR fit contributions for each arterial sample may be plotted in a decision diagram as specifically illustrated in FIG. 26A using the corresponding R 1 and R 2 values. The boundary separating non-atherosclerotic tissue and non-calcified atherosclerotic plaque regions is given by PI = PII, which is described by the equation CM = −0.07 + 0.31 × (FC / NC NCR + CC NCR ). Is a straight line. The boundary separating the areas of non-atherosclerotic tissue and calcified atherosclerotic plaque is given by PI = PIII and has the equation CM = 0.17−0.48 × (FC / NC NCR + CC NCR ). The straight line separating the areas of non-calcified atherosclerotic plaques and calcified atherosclerotic plaques is given by PII = PIII and has the equation CM = −0.07 + 0.30 × (FC / NC NCR + CC NCR ) . For 95 (98%) of 97 samples in the initial calibration data set, the determinations determined by the Raman-based diagnostic algorithm correlated with those of the pathologist.
このアルゴリズムは、図26Bに具体的に説明されるところの3種の診断分類の1種に第二の検証データ組の動脈サンプルを分類するための好ましい態様においてもまたプロスペクティブに使用した。プロスペクティブに、アルゴリズムの結果は68のうち64(94%)について病理学者のものと一致した。双方のデータ組についての病理学的およびラマン分光学的診断の比較を表2に示す。 This algorithm was also used prospectively in the preferred embodiment for classifying the arterial samples of the second validation data set into one of the three diagnostic classifications as specifically illustrated in FIG. 26B. Prospectively, the algorithm results were consistent with those of pathologists for 64 out of 68 (94%). A comparison of pathological and Raman spectroscopic diagnoses for both data sets is shown in Table 2.
分類は(I)非アテローム硬化性組織、(II)非石灰化斑および(III)石灰化斑である。 The classification is (I) non-atherosclerotic tissue, (II) non-calcified plaques and (III) calcified plaques.
巨視的動脈スペクトルを収集するために使用したin vitroラマン系はショートノイズが制限されるため、データ取得で使用したNIR技術は極めて高SNRのスペクトルをもたらした。平均のピーク対ピークノイズは正規化したスペクトル上で0.04カウント未満である。診断的形態学的成分のフィットの寄与率に対する誤差の計算は、CMについて0.041という3標準偏差(SD)の誤差およびFC/NCNCR+CCNCRについて0.036の3SDの誤差を生じる。 Because the in vitro Raman system used to collect the macroscopic arterial spectrum is limited in short noise, the NIR technique used in data acquisition yielded a very high SNR spectrum. The average peak-to-peak noise is less than 0.04 counts on the normalized spectrum. Calculation of the error to the diagnostic morphological component fit contribution yields an error of 3 standard deviations (SD) of 0.041 for CM and an error of 3SD of 0.036 for FC / NC NCR + CC NCR .
別の好ましい態様において、16の外植された移植レシピエントの心から35の冠動脈サンプルを採取しそして薄切片を調製した。830nmレーザー光を用いる高分解能共焦点ラマン顕微分光計の系を使用して、高S/Nラマンスペクトルを以下の形態学的構造すなわち内部および外部弾性板、コラーゲン線維、脂肪、泡沫細胞、平滑筋細胞、壊死中心、β−カロチン、コレステロール結晶およびカルシウム鉱質化から得た。それらのラマンスペクトルは、コラーゲン、エラスチン、アクチン、ミオシン、トロポミオシン、コレステロール一水和物、コレステロールリノレエート、ホスファチジルコリン、トリオレイン、ハイドロキシアパタイトカルシウム、炭酸カルシウムおよびβ−カロチンを包含する動脈組織中に存在する主要生化学物質からの基礎ラマンスペクトルの一次結合を使用することによりモデル化し得る。 In another preferred embodiment, 35 coronary artery samples were taken from 16 explanted transplant recipient hearts and thin sections were prepared. Using a high resolution confocal Raman microspectrophotometer system using 830 nm laser light, a high S / N Raman spectrum was analyzed for the following morphological structures: internal and external elastic plates, collagen fibers, fat, foam cells, smooth muscle Obtained from cells, necrotic center, β-carotene, cholesterol crystals and calcium mineralization. Their Raman spectra are present in arterial tissues including collagen, elastin, actin, myosin, tropomyosin, cholesterol monohydrate, cholesterol linoleate, phosphatidylcholine, triolein, hydroxyapatite calcium, calcium carbonate and β-carotene Can be modeled by using the linear combination of the fundamental Raman spectra from the major biochemicals.
該結果は、多様な形態学的構造が特徴的ラマンスペクトルを有することを示し、それらは構造間でおよび動脈間でほとんど変動しない。該生化学的モデルは各形態学的構造のスペクトルを十分に記述し、大部分の必須の生化学的成分が参照データに包含されていることを示す。さらに、形態学的構造スペクトルの生化学的基礎スペクトルのフィットの寄与率により示される各構造の生化学的組成は非常に一貫している。従って、正常およびアテローム硬化症の冠動脈中の多様な形態学的構造のラマンスペクトルを、アテローム硬化性冠動脈病変の形態学的組成を解析するための一次結合モデルで基礎スペクトルとして使用してよい。 The results show that various morphological structures have characteristic Raman spectra, which vary little between structures and between arteries. The biochemical model fully describes the spectrum of each morphological structure and indicates that the most essential biochemical components are included in the reference data. Furthermore, the biochemical composition of each structure, as indicated by the biochemical base spectrum fit contribution of the morphological structure spectrum, is very consistent. Thus, the Raman spectra of various morphological structures in normal and atherosclerotic coronary arteries may be used as a base spectrum in a linear combination model for analyzing the morphological composition of atherosclerotic coronary lesions.
ラマン分光法は、巨視的および微視的双方の尺度での組織の生化学的解析に対する大きな潜在能力を有する。この方法の大きな利点の1つは、ホモジェナイズ、抽出、または色素、標識若しくは他のコントラスト増強剤の使用を伴わずに非破壊的に無傷の細胞および組織内(すなわちin−situ)でそれらの微小環境中の生化学的分子の濃度、構造および相互作用についての情報を提供するその能力である。加えて、ラマン分光法は、上述されたところの光ファイバー技術を使用してin vivoで実施し得る。 Raman spectroscopy has great potential for biochemical analysis of tissues on both macroscopic and microscopic scales. One of the major advantages of this method is that they are microdegraded in non-destructively intact cells and tissues (ie in-situ) without the use of homogenization, extraction, or dyes, labels or other contrast enhancing agents. Its ability to provide information about the concentration, structure and interactions of biochemical molecules in the environment. In addition, Raman spectroscopy can be performed in vivo using optical fiber technology as described above.
形態学的因子が斑の安定性および進行の決定において生化学的組成と同じくらい重要でありうるという属性を使用して、本発明の好ましい一態様は、ラマン分光法を使用する動脈組織中のアテローム硬化性病変の形態学に基づく診断を包含する。その目標のために、上述された共焦点ラマン顕微分光法(microspectroscopy)を使用して、正常およびアテローム硬化症のヒト冠動脈組織の個々の細胞および細胞外成分のin−situラマンスペクトルをin vitroで得た。その後、これらの微視的形態学的構造の生化学的組成を、無傷の組織について以前に使用されたと類似の様式で生化学物質の基礎ラマンスペクトルの一次結合を使用してそれらのラマンスペクトルをモデル化することにより決定した。巨視的ラマン分光法の生化学的解析と同様、これらの巨視的ラマン分光法の形態学的解析は、最終的に、アテローム硬化性斑の安定性および疾患の進行をin vivoで評価するための診断アルゴリズムで使用し得る。様々な段階のアテローム硬化症を表すヒト冠動脈サンプル(n=35)を、外植されたレシピエントの心(n=16)から心移植1時間以内に得た。外植心からの切開後直ちに動脈サンプルを中性緩衝生理的食塩水ですすぎ、液体窒素中で急速凍結しかつ−85Cで保存した。 Using the attribute that morphological factors can be as important as biochemical composition in determining plaque stability and progression, one preferred aspect of the present invention is that in arterial tissue using Raman spectroscopy. Includes diagnosis based on the morphology of atherosclerotic lesions. To that end, in-situ Raman spectra of individual cells and extracellular components of normal and atherosclerotic human coronary arterial tissues are obtained in vitro using the confocal Raman microspectroscopy described above. Obtained. The biochemical composition of these microscopic morphological structures can then be analyzed using a linear combination of biochemical fundamental Raman spectra in a manner similar to that previously used for intact tissue. Determined by modeling. Similar to the biochemical analysis of macroscopic Raman spectroscopy, the morphological analysis of these macroscopic Raman spectroscopy ultimately helps to assess atherosclerotic plaque stability and disease progression in vivo. Can be used in diagnostic algorithms. Human coronary artery samples (n = 35) representing various stages of atherosclerosis were obtained from explanted recipient hearts (n = 16) within 1 hour of heart transplantation. Immediately following incision from the explant, the arterial sample was rinsed with neutral buffered saline, snap frozen in liquid nitrogen and stored at -85C.
凍結冠動脈サンプルをヒストプレップ(Histoprep)(Fisher Diagnostics、ニューヨーク州オレンジバーグ)を用いてクライオスタットチャック上にマウントした。光学顕微鏡検査およびラマン顕微分光法のための薄い横断組織切片(6〜8μm)をクライオスタット/マイクロトーム(International Equipment、マサチューセッツ州ニーダムハイツ)を使用して切断した。各サンプルの4切片をガラス製顕微鏡スライドガラス上にマウントし、そしてヘマトキシリンおよびエオシンで染色した。その後、連続した未染色の切片をBaF2若しくはMgF2フラット(International Scientific Products、ニューヨーク州タリータウン、およびSpectra−Tech、コネチカット州スタンフォード)にマウントし、リン酸緩衝生理的食塩水(pH7.4)で湿らせたまま保ち、そして室温で実施する分光学的実験のため顕微鏡ステージに移した。分光学的測定にはカバーガラスを使用しなかった。多数の形態学的構造からスペクトルを収集した場合、各切片をおよそ2時間後に新たに切断した切片により置き換えて酵素的分解の結果としての組織中の生化学的変化を回避した。この2時間の検査時間内ではラマンスペクトルに有意の変化はみられなかった。検査した形態学的構造は、正常動脈中で:動脈壁の多様な層中のコラーゲン線維、内部および外部弾性板、中膜平滑筋細胞および外膜脂肪細胞、ならびに内膜アテローム硬化性病変中で:線維性被膜中のコラーゲン線維、泡沫細胞、壊死中心、コレステロール結晶、β−カロチン含有結晶およびカルシウム鉱質化であった。 Frozen coronary artery samples were mounted on a cryostat chuck using Histoprep (Fisher Diagnostics, Orangeburg, NY). Thin transverse tissue sections (6-8 μm) for light microscopy and Raman microspectroscopy were cut using a cryostat / microtome (International Equipment, Needham Heights, Mass.). Four sections of each sample were mounted on glass microscope slides and stained with hematoxylin and eosin. Subsequently, serial unstained sections were mounted on BaF 2 or MgF 2 flats (International Scientific Products, Tarrytown, NY, and Spectra-Tech, Stamford, Conn.) And phosphate buffered saline (pH 7.4). And kept moistened and transferred to a microscope stage for spectroscopic experiments performed at room temperature. No cover glass was used for spectroscopic measurements. When spectra were collected from multiple morphological structures, each section was replaced with a freshly cut section approximately 2 hours later to avoid biochemical changes in the tissue as a result of enzymatic degradation. There was no significant change in the Raman spectrum within the 2 hour examination period. Morphological structures examined were in normal arteries: collagen fibers in various layers of the arterial wall, internal and external elastic lamina, medial smooth muscle cells and epithelial fat cells, and intimal atherosclerotic lesions : Collagen fibers in the fibrous capsule, foam cells, necrotic centers, cholesterol crystals, β-carotene-containing crystals and calcium mineralization.
本発明の好ましい態様のシステムの図解を図27に示す。全ラマン分光学的測定は、選択した形態学的構造の目的の領域以外の周辺表面にある特徴からのシグナルラマン光を抑制するために共焦点の構成を使用して実施する。観察および解析は位相差系およびステージ制御装置(Prior Scientific Instruments、マサチューセッツ州ケンブリッジ)を備えた顕微鏡(Zeiss Axioskop 50、Zeiss、ニューヨーク州ソーンウッド)を使用した。サンプルの初期検鏡は10倍拡大(Zeiss Achroplan対物レンズ)の位相差顕微鏡を用いて実施した。詳細な検鏡および顕微分光法は、63倍無限補正液浸対物レンズ(Zeiss Achroplan、NA 0.9)を用いて実施した。位相差組織検鏡、および顕微分光法のための形態学的構造の選択は、顕微鏡750に接続されたCCDカラービデオカメラ758(Sony、マサチューセッツ州ケンブリッジ)を使用して録画しかつビデオテープ(VCR)764に保存し、それからフレームをディジタル化した(PCVision−plus、Imaging Technologies、マサチューセッツ州ベッドフォード)。 An illustration of a preferred embodiment system of the present invention is shown in FIG. All Raman spectroscopic measurements are performed using a confocal configuration to suppress signal Raman light from features on the peripheral surface other than the region of interest of the selected morphological structure. Observation and analysis were performed using a microscope (Zeiss Axioskop 50, Zeiss, Thornwood, NY) equipped with a phase contrast system and a stage controller (Prior Scientific Instruments, Cambridge, MA). Initial microscopic examination of the samples was performed using a phase contrast microscope with 10x magnification (Zeiss Acroplan objective). Detailed microscopic and microspectroscopy were performed using a 63x infinite correction immersion objective (Zeiss Acroplan, NA 0.9). Phase contrast microscopy and morphological structure selection for microspectroscopy were recorded using a CCD color video camera 758 (Sony, Cambridge, Mass.) Connected to a microscope 750 and videotape (VCR). 764 and then digitized the frame (PCVision-plus, Imaging Technologies, Bedford, Mass.).
近赤外(830nm)レーザー光はAr+レーザー742−ポンピングTi:サファイアレーザー系744(Coherent Innova 90/Spectra Physics 3900S、Coherent、カリフォルニア州サンタクララ)により生成させた。レーザー出力は帯域通過フィルタリングし746(F1)(Kaiser Optical Systems HLBF、ミネソタ州アナーバー)、そして50〜100mWのサンプル756上のレーザー出力で、調節可能な鏡(m1)748およびダイクロイックビームスプリッター(m2)754を使用してサンプル上に集中させた。組織サンプルから発射される光を同一の対物レンズにより収集し、ビームスプリッターを通過させ、そして取り外し式の鏡(m3)752によりピンホール(P:100μm直径)を通過させた。この鏡を使用し、サンプルから発射される光を分光計/CCD系若しくは白色光画像をビデオカメラ系のいずれかに向けた。CCD/分光計に向けられた光はその後、ノッチフィルタリングしてRayleigh散乱光(F2;Kaiser Optical Systems HSNF)を排除し、そして色消しレンズ(L)を用いてChromex 250IS/SM分光器−モノクロメーター(Chromex、ニューメキシコ州アルバカーキ)に集中させた。分光器766は、−110℃に冷却した裏面照射型の深空乏型CCD検出器768(Princeton Instruments、ニュージャージー州プリンストン)上の回折格子分散光を包含する。CCDインターフェース(ST130、Princeton Instruments)を、データ処理および記憶を実施するWinscopeソフトウェア(Princeton Instruments、バージョン1.4.3)を使用するパーソナルコンピュータ774に接続した。100〜2000cm−1(8cm−1分解能)の範囲にわたって最低3個のラマンスペクトル(サンプリング時間10と100sとの間)を、選択した各部位から得た。 Near-infrared (830 nm) laser light was generated by an Ar + laser 742-pumped Ti: sapphire laser system 744 (Coherent Innova 90 / Spectra Physics 3900S, Coherent, Santa Clara, Calif.). Laser output is bandpass filtered 746 (F1) (Kaiser Optical Systems HLBF, Ann Arbor, Minn.), And laser output on a sample 756 of 50-100 mW with adjustable mirror (m1) 748 and dichroic beam splitter (m2) 754 was used to concentrate on the sample. The light emitted from the tissue sample was collected by the same objective lens, passed through a beam splitter, and passed through a pinhole (P: 100 μm diameter) with a removable mirror (m3) 752. This mirror was used to direct light emitted from the sample to either the spectrometer / CCD system or the white light image to the video camera system. The light directed to the CCD / spectrometer is then notch filtered to eliminate Rayleigh scattered light (F2; Kaiser Optical Systems HSNF) and using an achromatic lens (L) Chromex 250IS / SM spectrometer-monochromator (Chromex, Albuquerque, New Mexico). Spectrometer 766 includes grating-dispersed light on a back-illuminated deep depletion CCD detector 768 (Princeton Instruments, Princeton, NJ) cooled to -110 ° C. A CCD interface (ST130, Princeton Instruments) was connected to a personal computer 774 using Winscope software (Princeton Instruments, version 1.4.3) to perform data processing and storage. A minimum of three Raman spectra (between sampling times 10 and 100 s) were obtained from each selected site over a range of 100-2000 cm −1 (8 cm −1 resolution).
共焦点ラマン顕微分光計の光収集若しくはサンプリング体積の推定方法は、個々のコラーゲン線維のような小さい若しくは薄い微視的構造からラマンスペクトルを収集するのに十分な分解能を保証するために小さな(1〜2μm3)収集体積を使用する。要約すれば、1.0μm直径のポリスチレンビーズ(Polyscience、フィラデルフィア州ワリントン)を集中させたレーザー光線により移動させ、そしてラマンシグナルをレーザー焦点の中心に関するビーズ位置の関数として収集した。水平面での顕微鏡ステージの段階的分解能は1μmであった。垂直移動を1.1μm段階で進めた。ビーズの最大のラマンシグナルを得るように位置を至適化する。側方分解能は、中心位置、およびビーズの中心から1若しくは2μmの段階を使用してX若しくはY方向への8位置の1つのラマンシグナルを交互に測定することにより決定する。強い1004cm−1のポリスチレンのラマンバンドの強度を、平面方向および軸方向の双方でレーザー焦点への距離の関数として測定する。その後、各方向の結果をガウス分布関数と当てはめ、そして集中された光線の直径を半値幅(FWHM)での幅全体から決定する。双方の側方向について直径は約1μmである一方、軸方向は2μmである。サンプリング体積は約2μm3であると計算される。 The confocal Raman microspectrometer light collection or sampling volume estimation method is small (1 to ensure sufficient resolution to collect Raman spectra from small or thin microscopic structures such as individual collagen fibers. ˜2 μm 3 ) Use collection volume. In summary, 1.0 μm diameter polystyrene beads (Polyscience, Warrington, Philadelphia) were moved by a focused laser beam and the Raman signal was collected as a function of bead position with respect to the center of the laser focus. The step resolution of the microscope stage in the horizontal plane was 1 μm. Vertical movement was advanced in 1.1 μm steps. Optimize the position to obtain the maximum Raman signal of the beads. Lateral resolution is determined by alternately measuring one Raman signal at 8 positions in the X or Y direction using the center position and a 1 or 2 μm step from the bead center. The intensity of the strong 1004 cm -1 polystyrene Raman band is measured as a function of the distance to the laser focus both in the planar and axial directions. The result in each direction is then fitted with a Gaussian distribution function, and the diameter of the focused ray is determined from the entire width at half width (FWHM). The diameter is about 1 μm for both lateral directions, while the axial direction is 2 μm. The sampling volume is calculated to be about 2 μm 3 .
形態学的構造からのラマンスペクトルのデータ解析は、Microcal Originソフトウェア(バージョン4.10、Clecom、英国バーミンガム)を用いて実施する。この解析は、宇宙線の除去、トルエンのスペクトルの特徴を使用する波数シフト較正(Mallinckrodt Specialty Chemicals、ケンタッキー州パリス)および較正済タングステン光源を伴うフィルター/分光計/CCD検出器系中の色の変動の補正よりなる。その後、組織スペクトルを適切なスペクトルの減算によりBaF2若しくはMgF2のバックグラウンドの寄与率について補正し、そして最小二乗法最小化(LSM)によりスペクトルに当てはめられる4位の多項式の減算により組織蛍光について補正する。 Data analysis of Raman spectra from morphological structures is performed using Microcal Origin software (version 4.10, Clecom, Birmingham, UK). This analysis includes color variability in filter / spectrometer / CCD detector systems with cosmic ray removal, wavenumber shift calibration using the spectral characteristics of toluene (Mallinckrodt Specialty Chemicals, Paris, Kent.) And a calibrated tungsten light source. Compensation. Thereafter, the tissue spectra were corrected for the contribution of background BaF 2 or MgF 2 by subtraction of appropriate spectrum, and for tissue fluorescence by subtracting the 4-position of the polynomial fit to the spectrum by the method of least squares minimization (LSM) to correct.
各形態学的構造スペクトルは、
rtotal=C1r1+C2r2+C3r3・・・ (4)
[式中rはラマンスペクトルである]として、12種の生化学的成分のそれぞれについての部分的なフィットの寄与率(C1)を生成させるための単純な一次結合参照を使用して700〜1800cm−1のラマンシフト範囲でモデル化する。700〜1800cm−1のラマンシフト範囲は、この範囲がほとんどのスペクトル情報を含有するために選ばれる。
Each morphological structure spectrum is
r total = C 1 r 1 + C 2 r 2 + C 3 r 3 (4)
[Where r is a Raman spectrum] using a simple linear combination reference to generate a partial fit contribution (C 1 ) for each of the 12 biochemical components Model with a Raman shift range of 1800 cm −1 . The Raman shift range of 700-1800 cm −1 is chosen because this range contains most of the spectral information.
試薬等級の商業的化学物質(Sigma、ミズーリ州セントルイス)を使用して、タンパク質(III型コラーゲン、エラスチン、アクチン、ミオシンおよびトロポミオシン)、非エステル化コレステロール(コレステロール一水和物)、コレステロールエステル(コレステロールリノレエート)、リン脂質(ホスファチジルコリン)、トリグリセリド(トリオレイン)、カロチノイド(β−カロチン)ならびにカルシウム塩(ハイドロキシアパタイトカルシウムおよび炭酸カルシウム)を包含する12種の生化学的成分の基礎スペクトルとしての使用のためのラマンスペクトルを得る。これら12種の生化学的成分は、正常動脈組織およびアテローム硬化性斑中で見出される最も普遍的なラマン活動性の生化学種として選択される。加えて、類似の一組の生化学的構成要素が、以前の巨視的組織検査において観察されたスペクトルに対する参照データの良好なフィットを提供した。これらの化学物質からのラマンスペクトルは、形態学的構造からのラマンスペクトルと類似の方法で記録する。 Using reagent grade commercial chemicals (Sigma, St. Louis, MO), proteins (type III collagen, elastin, actin, myosin and tropomyosin), non-esterified cholesterol (cholesterol monohydrate), cholesterol esters (cholesterol) Use as a fundamental spectrum of 12 biochemical components including linoleate), phospholipids (phosphatidylcholine), triglycerides (triolein), carotenoids (β-carotene) and calcium salts (hydroxyapatite calcium and calcium carbonate) Get the Raman spectrum for. These twelve biochemical components are selected as the most common Raman-active biochemical species found in normal arterial tissue and atherosclerotic plaques. In addition, a similar set of biochemical components provided a good fit of the reference data to the spectra observed in previous macroscopic histology. The Raman spectra from these chemicals are recorded in a manner similar to the Raman spectra from the morphological structure.
参照データ成分は化学的重量で比較し得ない。多様な形態学的構造中の生化学物質の実際の濃度が未知であるためである。従って、1440〜1455cm−1(タンパク質および脂質中のCH2結合の結合を表す)のスペクトルの特徴の強度を単一に設定する。この領域中にスペクトルの特徴を欠くβ−カロチン、炭酸カルシウムおよびハイドロキシアパタイトカルシウムのラマンスペクトルは、それぞれ1159、1080および961cm−1のスペクトルの特徴に関して単一に設定する。この参照はこうして、多様な形態学的構造のラマンスペクトルに対するこれらの化学的成分の相対的なフィットの寄与率についての情報を提供する。各生化学的成分のフィットの寄与率は最大(すなわち1)の画分として表す。 Reference data components cannot be compared by chemical weight. This is because the actual concentration of biochemical substances in various morphological structures is unknown. Accordingly, the intensity of the spectral features of 1440-1455 cm −1 (representing the binding of CH 2 bonds in proteins and lipids) is set to unity. The Raman spectra of β-carotene, calcium carbonate and hydroxyapatite calcium, which lack spectral features in this region, are set singly for spectral features of 1159, 1080 and 961 cm −1 , respectively. This reference thus provides information about the contribution of the relative fit of these chemical components to the Raman spectra of various morphological structures. The contribution contribution of each biochemical component fit is expressed as the largest (ie 1) fraction.
図28Aは位相差下で見られる内部弾性板を示す未染色冠動脈切片の顕微鏡写真である。この構造は21個の冠動脈サンプル中の合計54部位で検査する。これらのサンプルのうち9個では外部弾性板からスペクトルを収集した。図28Bに、6種の異なる内部弾性板のラマンスペクトルを示す。1664および1264cm−1のバンドは、エラスチンおよびコラーゲンのような構造タンパク質のそれぞれアミドIおよびIIIの振動に帰される。1449cm−1の強いバンドはタンパク質のCH2およびCH3結合モードに割り当て得る一方、1004cm−1のバンドはフェニルアラニンによる。1336および1104cm−1のバンドはデスモシン/イソデスモシンに帰され、そしてエラスチンに特異的である。933および855cm−1のバンドはプロリンのC−C伸長モードに割り当て得、そしてコラーゲンに存在する。これらの結果は内部弾性板がエラスチンおよびコラーゲン双方を含有することを示す。さらに、視覚的検査でこれらのスペクトルは構造間でほとんど変動を示さず、内部弾性板の生化学的組成が冠動脈サンプル内および間で非常に一貫していることを示す。外部弾性板から得られるスペクトルは内部弾性板から得られるものに同一である。 FIG. 28A is a photomicrograph of an unstained coronary artery section showing an internal elastic plate seen under phase contrast. This structure is examined at a total of 54 sites in 21 coronary artery samples. Nine of these samples collected spectra from an external elastic plate. FIG. 28B shows Raman spectra of six different internal elastic plates. The 1664 and 1264 cm −1 bands are attributed to vibrations of amides I and III, respectively, of structural proteins such as elastin and collagen. The strong band at 1449 cm −1 can be assigned to the CH 2 and CH 3 binding modes of the protein, while the 1004 cm −1 band is due to phenylalanine. The 1336 and 1104 cm −1 bands are attributed to desmosine / isodesmosine and are specific for elastin. The 933 and 855 cm −1 bands can be assigned to the CC extension mode of proline and are present in collagen. These results indicate that the internal elastic lamina contains both elastin and collagen. Furthermore, visual inspection shows that these spectra show little variation between structures, indicating that the biochemical composition of the internal elastic lamina is very consistent within and between coronary artery samples. The spectrum obtained from the external elastic plate is the same as that obtained from the internal elastic plate.
図29Aは、外膜の結合組織中のコラーゲン線維(長さおよそ10μm、直径およそ2μm)を示す位相差顕微鏡写真である。全体で10サンプル中の17のコラーゲン線維を検査した。図29Bは3種の異なる動脈サンプルからのコラーゲン線維からのラマンスペクトルを示す。再度、視覚的検査で、外膜(a、b)から収集したこれらのスペクトルは、冠動脈サンプル内若しくはそれらのあいだで線維ごとにほとんど変動を示さず、また、内膜のアテローム硬化性病変の線維性被膜(c)中のコラーゲン線維から取ったものに同一である。これらのスペクトルはまた、デスモシンおよびイソデスモシンのバンド(エラスチンに特異的)の非存在を除いて弾性板からのものにも非常に類似している。コラーゲン線維のスペクトルはコラーゲンに特異的な非常に目立つヒドロキシプロリンの寄与(855cm−1)もまた含有する。 FIG. 29A is a phase contrast micrograph showing collagen fibers (approximately 10 μm in length, approximately 2 μm in diameter) in the connective tissue of the outer membrane. A total of 17 collagen fibers in 10 samples were examined. FIG. 29B shows Raman spectra from collagen fibers from three different arterial samples. Again, these spectra collected from the adventitia (a, b) on visual examination show little variation from fiber to fiber within or between coronary artery samples, and the fibers of atherosclerotic lesions of the intima Identical to that taken from collagen fibers in the protective coating (c). These spectra are also very similar to those from the elastic plate, except for the absence of desmosine and isodesmosine bands (specific for elastin). The collagen fiber spectrum also contains a highly prominent hydroxyproline contribution (855 cm −1 ) specific for collagen.
図30は、本発明の好ましい一態様の正常およびアテローム硬化性の冠動脈サンプルの中膜中の平滑筋細胞から記録された4種のラマンスペクトルを示す。合計で32のスペクトルを10個の冠動脈サンプルから記録した。視覚的検査で、個々の平滑筋細胞から取ったスペクトル間で有意の差異は観察されなかった。平滑筋細胞のスペクトル中の主スペクトルの特徴は弾性板およびコラーゲン線維のスペクトル中で観察されたものに類似であり、そして1660および1628cm−1(それぞれアミドIおよびIIIの振動)、853、940、1034、1336ならびに1451cm−1(C−C若しくはC−H屈曲)、ならびに1004cm−1(フェニルアラニン)のタンパク質のバンドにより優位を占める。タンパク質が優位の平滑筋細胞、弾性板およびコラーゲン線維のスペクトル間の主な差異は、フェニルアラニン(1004cm−1)、デスモシン/イソデスモシン(1336および1104cm−1)ならびにアミドII(1268cm−1)のバンドの強度の変動にある。 FIG. 30 shows four Raman spectra recorded from smooth muscle cells in the media of normal and atherosclerotic coronary artery samples of one preferred embodiment of the present invention. A total of 32 spectra were recorded from 10 coronary artery samples. On visual inspection, no significant difference was observed between spectra taken from individual smooth muscle cells. The main spectral features in the smooth muscle cell spectrum are similar to those observed in the elastic plate and collagen fiber spectra, and 1660 and 1628 cm −1 (oscillations of amides I and III, respectively), 853, 940, The protein bands of 1034, 1336 and 1451 cm −1 (C—C or C—H bend), and 1004 cm −1 (phenylalanine) dominate. The major differences between the spectrum of protein-dominated smooth muscle cells, elastic lamina and collagen fibers are the bands of phenylalanine (1004 cm −1 ), desmosine / isodesmosine (1336 and 1104 cm −1 ) and amide II (1268 cm −1 ). It is in the fluctuation of intensity.
図31は、本発明の好ましい一態様の外膜中の脂肪細胞(fat cell)(脂肪細胞(adipocyte))から収集したラマンスペクトルの例を示す。合計で8個の脂肪細胞を6個の冠動脈サンプルから検査した。脂肪細胞から収集したスペクトルは非常に類似であり、そしてエステルのバンド(1747cm−1)、不飽和炭素/炭素のバンド(C=C;1654cm−1)、ならびに組合さってトリグリセリドを示すCH2/CH3のバンド(1440および1301cm−1)により優位を占められる。 FIG. 31 shows an example of a Raman spectrum collected from fat cells (adipocytes) in the outer membrane of one preferred embodiment of the present invention. A total of 8 adipocytes were examined from 6 coronary artery samples. The spectra collected from adipocytes are very similar and CH 2 // which shows an ester band (1747 cm −1 ), an unsaturated carbon / carbon band (C═C; 1654 cm −1 ), and a triglyceride in combination. Dominated by the CH 3 bands (1440 and 1301 cm −1 ).
図32Aは粥腫斑の内膜中の泡沫細胞の位相差顕微鏡写真である。これらの細胞中の個々の脂質小滴は容易に同定し得る。合計で8個の冠動脈サンプル中の30個の泡沫細胞を検査した。図32Bに3個の泡沫細胞からのラマンスペクトルを示す(a−c)。視覚的検査で同様とは言え、これらのスペクトルはコラーゲン線維、内部および外部弾性板ならびに平滑筋細胞のスペクトルより大きい泡沫細胞のあいだでの変動を示す。より具体的には、泡沫細胞のスペクトルは、とりわけ1100cm−1より下の多数のバンドに関して弾性板、コラーゲン線維および平滑筋細胞のタンパク質が優位のスペクトルと明確に異なる。702、878、923および957cm−1のバンドは、エステル化されていない(遊離)コレステロールおよびコレステロールエステル双方のステロイド核に割り当て得る。1671、1439、1299および1270cm−1の強いバンドはC=C伸長およびCH2/CH3屈曲モードによる。1735および1026cm−1(コレステロールエステルに特異的)ならびに1058および1328cm−1(遊離コレステロールに特異的)のバンドの存在は、これらの泡沫細胞がエステル化および未エステル化双方のコレステロールを含有することを示す。以前に論考されたとおり、非石灰化斑中の低下したCFNCRは低下した斑の安定性を暗示する。719cm−1(対称のコリンの伸長)、762cm−1(対称のO−P−O伸長)および878cm−1(非対称のO−P−O伸長)のバンドはリン脂質の存在を、また、1523および1160cm−1のものはβ−カロチノイドの存在を示す。しかしながら、泡沫細胞のスペクトルは、外膜脂肪細胞中でみられた1747、1654、1440および1301cm−1のトリグリセリドのバンドを欠く。 FIG. 32A is a phase contrast micrograph of foam cells in the intima of an atheroma plaque. Individual lipid droplets in these cells can be easily identified. A total of 30 foam cells in 8 coronary artery samples were examined. FIG. 32B shows the Raman spectra from three foam cells (ac). Although similar in visual inspection, these spectra show variations among foam cells that are larger than those of collagen fibers, internal and external elastic lamina and smooth muscle cells. More specifically, the foam cell spectrum is distinctly different from the dominant spectrum of elastic lamina, collagen fibers and smooth muscle cell proteins, especially for multiple bands below 1100 cm −1 . The bands at 702, 878, 923, and 957 cm −1 can be assigned to the steroid nucleus of both unesterified (free) cholesterol and cholesterol esters. The strong bands at 1671, 1439, 1299 and 1270 cm −1 are due to C═C stretching and CH 2 / CH 3 bending modes. The presence of bands at 1735 and 1026 cm −1 (specific for cholesterol esters) and 1058 and 1328 cm −1 (specific for free cholesterol) indicate that these foam cells contain both esterified and unesterified cholesterol. Show. As previously discussed, reduced CF NCR in non-calcified plaques implies reduced plaque stability. The bands at 719 cm −1 (symmetrical choline extension), 762 cm −1 (symmetrical O—P—O extension) and 878 cm −1 (asymmetrical O—P—O extension) indicate the presence of phospholipids and 1523 And 1160 cm −1 indicate the presence of β-carotenoids. However, the foam cell spectrum lacks the triglyceride bands at 1747, 1654, 1440 and 1301 cm −1 found in outer membrane adipocytes.
合計で、16個の冠動脈サンプルの31個の壊死中心領域を検査した。図32Bは壊死中心から収集したラマンスペクトルの2例(dおよびe)もまた示す。泡沫細胞のスペクトルに類似に、壊死中心内の構造ごとに若干の変動が存在する。しかしながら泡沫細胞および壊死中心からの平均的スペクトルは極めて類似しており、双方の形態学的構造の化学物質含量が極めて類似していることを示す。 In total, 31 necrotic central areas of 16 coronary artery samples were examined. FIG. 32B also shows two examples of Raman spectra (d and e) collected from necrotic centers. Similar to the foam cell spectrum, there is some variation from structure to structure within the necrotic center. However, the average spectra from foam cells and necrotic centers are very similar, indicating that the chemical content of both morphological structures is very similar.
図33は、粥腫斑の壊死中心の異なる大きさのコレステロール結晶から取ったラマンスペクトルの例を示す。全体で7個の冠動脈サンプル中のコレステロール結晶を検査した。コレステロール結晶のスペクトルの主なスペクトルの特徴は、1668cm−1(C=C伸長)、1443、1238および1274cm−1(CH2、CH3屈曲)ならびに1176および1085cm−1(C−C伸長)である。1000cm−1より下のスペクトルの特徴はステロイドに帰され、エステル化されていないコレステロールの存在を示す。主として結晶それら自身若しくは結晶を取り巻く組織の成分中のエステル化コレステロールに対する遊離コレステロールの比の差異を暗示するバンド強度の変動により、個々の結晶からのスペクトル間でわずかにより多い変動がみられた。 FIG. 33 shows an example of a Raman spectrum taken from cholesterol crystals of different sizes at the necrotic center of the plaque. A total of 7 coronary artery samples were examined for cholesterol crystals. The main spectral features of the spectrum of cholesterol crystals are 1668 cm −1 (C═C stretching), 1443, 1238 and 1274 cm −1 (CH 2 , CH 3 bending) and 1176 and 1085 cm −1 (CC stretching). is there. The spectral features below 1000 cm −1 are attributed to steroids and indicate the presence of unesterified cholesterol. There was slightly more variation between the spectra from the individual crystals, mainly due to variations in the band intensity that implied the difference in the ratio of free cholesterol to esterified cholesterol in the crystals themselves or in the components of the tissue surrounding the crystals.
壊死中心領域では、黄色結晶がときに位相差下で同定され得た。図33(dおよびe)は2個の異なる冠動脈サンプルからの2個のこうした結晶のラマンスペクトルを示す。合計で3サンプルからのこれらの結晶のうち7個を検査した。主スペクトルの特徴は1523および1160cm−1にあり、これらはC−CおよびC=C伸長によりかつβ−カロチンを暗示する。1449および956cm−1のバンドの存在を考えれば、これらの黄色結晶は若干の構造タンパク質およびコレステロールエステルもまた含有するようである。 In the necrotic center region, yellow crystals could sometimes be identified under phase contrast. Figures 33 (d and e) show the Raman spectra of two such crystals from two different coronary artery samples. A total of 7 of these crystals from 3 samples were examined. The main spectral features are at 1523 and 1160 cm −1 , which are implied by C—C and C═C elongation and β-carotene. Given the presence of the 1449 and 956 cm −1 bands, these yellow crystals appear to also contain some structural proteins and cholesterol esters.
図34Aは石灰化を含有するアテローム硬化性斑の顕微鏡写真である。合計で6個の冠動脈サンプル中の15個のカルシウム鉱質化を検査した。2個のアテローム硬化性斑中の異なる段階の石灰化を表すラマンスペクトルを図34Bに示す。これらのスペクトルの主な特徴は、それぞれ炭酸カルシウムおよびハイドロキシアパタイトカルシウムを暗示するCO3 2−(対称)/PO4 3−(非対称)およびPO4 3−(対称)伸長に帰される1071および959cm−1のバンドである。大型のカルシウム鉱質化(図34B、aおよびb)は、壊死中心の微小点状カルシウム鉱質化のもの(図34B、c)と異なるスペクトルの特徴を示す。主な差異は、最もありそうには取り巻く壊死中心による脂質および/若しくはリン脂質(1433cm−1)に帰される点状カルシウム鉱質化のスペクトル中の付加的な特徴の存在である。 FIG. 34A is a photomicrograph of atherosclerotic plaque containing calcification. A total of 15 calcium mineralizations in 6 coronary artery samples were examined. A Raman spectrum representing different stages of calcification in two atherosclerotic plaques is shown in FIG. 34B. The main features of these spectra are 1071 and 959 cm − which are attributed to CO 3 2− (symmetric) / PO 4 3− (asymmetric) and PO 4 3− (symmetric) elongation, implying calcium carbonate and hydroxyapatite calcium, respectively. 1 band. Larger calcium mineralizations (FIGS. 34B, a and b) show different spectral features than those of micropoint calcifications of necrotic centers (FIGS. 34B, c). The main difference is the presence of additional features in the spectrum of punctate calcium mineralization attributed to lipids and / or phospholipids (1433 cm −1 ) due to the most likely surrounding necrotic centers.
図35に具体的に説明されるところの純粋な化学物質の基礎スペクトルを使用して、個々の形態学的構造のスペクトルを生化学的モデルに当てはめた。図36A−Hの各図は、形態学的構造の1つのラマンスペクトル、および生化学的モデルの最小二乗法最小化のフィットの結果を示す。残差(データ−フィット)を同一スケールで示す。泡沫細胞および壊死中心からのラマンスペクトルが非常に類似であったため泡沫細胞のフィットの結果のみを示す。ノイズの桁でありかつスペクトル間で一貫したパターンを示さない、観察されたスペクトルへのフィットの残差から判断して、各形態学的構造のラマンスペクトル(図A〜H)は12種の生化学物質の基礎スペクトルを使用して十分に記述される。 Using the fundamental spectrum of pure chemicals as specifically illustrated in FIG. 35, the spectra of the individual morphological structures were fitted to the biochemical model. Each figure in FIGS. 36A-H shows one Raman spectrum of the morphological structure and the result of a least squares minimization fit of the biochemical model. Residuals (data-fit) are shown on the same scale. Only the foam cell fit results are shown because the Raman spectra from foam cells and necrotic centers were very similar. Judging from the observed residual fit to the spectrum, which is in the order of noise and does not show a consistent pattern between the spectra, the Raman spectrum of each morphological structure (Figures AH) has 12 raw spectra. It is well described using the fundamental spectrum of chemicals.
検査した各形態学的構造について、各生化学的成分の寄与を決定した。図37A〜Hは各形態学的構造が特徴的な生化学的組成を有することを確認する。一般に、各形態学的構造は、主として、1種若しくはそれ以上のより少なく豊富な生化学的成分と組合せた1若しくは2種の主要生化学的成分から構成される。 For each morphological structure examined, the contribution of each biochemical component was determined. Figures 37A-H confirm that each morphological structure has a characteristic biochemical composition. In general, each morphological structure is composed primarily of one or two major biochemical components combined with one or more less abundant biochemical components.
内部および外部弾性板(図37A)は主としてより少ないコラーゲン成分を伴うエラスチンから構成される一方、正常動脈およびアテローム硬化性病変の線維性被膜双方のコラーゲン線維(図37B)は主として少ないエラスチン成分を伴うコラーゲンから構成される。平滑筋細胞(図37C)はアクチンおよび少ないトロポミオシン成分によりほぼ完全にモデル化された。ミオシンは全く寄与しなかった。 The inner and outer elastic lamina (FIG. 37A) is composed mainly of elastin with less collagen component, while the collagen fibers of both normal artery and atherosclerotic lesion fibrous capsule (FIG. 37B) have mainly less elastin component. Consists of collagen. Smooth muscle cells (FIG. 37C) were almost completely modeled by actin and few tropomyosin components. Myosin did not contribute at all.
外膜脂肪細胞(図37D)は、ほとんど独占的に、リン脂質(ホスファチジルコリン)の少ない寄与を伴うトリグリセリド(トリオレイン)を含有する。対照的に、泡沫細胞および壊死中心(図37E)は、コラーゲン、リン脂質およびβ−カロチンのより少ない寄与を伴い、主として約2:1の比のコレステロールエステル(リノレエート)および遊離コレステロール(一水和物)を含有する。泡沫細胞は現在のデータで同様のようであり、そして、それらの生化学的組成に基づいて壊死中心と区別し得ない。しかしながら以下の評価においてそれらは区別し得る。例えば、およそ1750cm−1のスペクトルの特徴を使用して泡沫細胞を壊死中心と区別し得る。コレステロール結晶(図37F)は約3:1の比で遊離コレステロールおよびコレステロールエステルを含有する。黄色結晶(図37G)は、コレステロールの少ない寄与を伴いほぼ完全にβ−カロチンからなる。これは、これらの結晶が実際は高濃度のβ−カロチンを含有するコレステロール結晶であることを示すかもしれない。カルシウム鉱質化(図37H)は、コラーゲン、トリグリセリドおよび炭酸カルシウムの少ない寄与を伴い主としてハイドロキシアパタイトカルシウムから構成される。 Outer membrane fat cells (FIG. 37D) contain triglycerides (triolein) almost exclusively with a small contribution of phospholipids (phosphatidylcholine). In contrast, foam cells and necrotic centers (FIG. 37E) are associated with less contribution of collagen, phospholipids and β-carotene, mainly in a ratio of about 2: 1 cholesterol ester (linoleate) and free cholesterol (monohydrate). Product). Foam cells appear to be similar in current data and are indistinguishable from necrotic centers based on their biochemical composition. However, they can be distinguished in the following evaluation. For example, spectral features of approximately 1750 cm −1 can be used to distinguish foam cells from necrotic centers. Cholesterol crystals (Figure 37F) contain free cholesterol and cholesterol esters in a ratio of about 3: 1. Yellow crystals (FIG. 37G) consist almost entirely of β-carotene with a small contribution of cholesterol. This may indicate that these crystals are in fact cholesterol crystals containing a high concentration of β-carotene. Calcium mineralization (FIG. 37H) is composed primarily of hydroxyapatite calcium with a small contribution of collagen, triglycerides and calcium carbonate.
泡沫細胞および他の炎症細胞の存在もまた斑の不安定性である役割を演じているかもしれない。従って、結晶を含まないコレステロール若しくは泡沫細胞の存在のような形態学的因子が、アテローム硬化性斑の安定性および進行の決定において生化学的組成と同じくらい重要であるかもしれない。 The presence of foam cells and other inflammatory cells may also play a role in plaque instability. Thus, morphological factors such as the presence of crystal-free cholesterol or foam cells may be as important as the biochemical composition in determining the stability and progression of atherosclerotic plaques.
図36に示されるとおり、図35の生化学的モデルは各形態学的構造のスペクトルを十分に記述し、このことは、大部分の不可欠の生化学的成分が参照中に包含されていることを意味する。形態学的構造のスペクトルに対する生化学的基礎スペクトルのフィットの寄与率により示される各構造の生化学的組成は非常に一貫している(図36A〜H)。最大の生化学的変動は泡沫細胞、壊死中心、コレステロール結晶およびカルシウム鉱質化で見出された。カルシウム鉱質化、コレステロール結晶およびβ−カロチン含有結晶の双方における生化学的変動は(大きさにより反映されるところの)それらの進行段階の差異によるかもしれない。泡沫細胞および壊死中心内の生化学的変動(コラーゲン、β−カロチンおよびコレステロールエステルの差異)の原因はより少なく明らかである。多様な進行段階でのアテローム硬化性斑の脂質組成の変動は、ホモジェナイズ若しくは抽出した組織および培養単球由来泡沫細胞のin vitro研究で以前に記述されている。しかしながら、これらの生化学的データは、組織調製の混乱させる影響を伴わないin situの若しくはin vitro細胞培養モデルのアテローム硬化性斑成分解析の結果である。疾患の多様な進行段階でのアテローム硬化性斑中の泡沫細胞および壊死中心のより詳細なin situラマン顕微分光法研究が、この変動の起源をさらに解明するのに役立つかもしれない。 As shown in FIG. 36, the biochemical model of FIG. 35 fully describes the spectrum of each morphological structure, indicating that most of the essential biochemical components are included in the reference. Means. The biochemical composition of each structure as shown by the contribution of the fit of the biochemical base spectrum to the spectrum of the morphological structure is very consistent (FIGS. 36A-H). The greatest biochemical variation was found in foam cells, necrotic centers, cholesterol crystals and calcium mineralization. Biochemical variations in both calcium mineralization, cholesterol crystals and β-carotene-containing crystals may be due to differences in their progression stage (as reflected by size). The cause of biochemical fluctuations within the foam cells and necrotic centers (differences in collagen, β-carotene and cholesterol esters) is less obvious. Variations in lipid composition of atherosclerotic plaques at various stages of progression have been previously described in in vitro studies of homogenized or extracted tissue and cultured monocyte-derived foam cells. However, these biochemical data are the result of an atherosclerotic plaque component analysis of an in situ or in vitro cell culture model without the disruptive effects of tissue preparation. More detailed in situ Raman microspectroscopy studies of foam cells and necrotic centers in atherosclerotic plaques at various stages of disease may help further elucidate the origin of this variation.
生化学的モデルは微視的な細胞および細胞外の形態学的構造の生化学的組成に関する価値のある情報を提供したとは言え、それはその限界を有する。このモデルおよび/若しくは参照の主な限界の1つは平滑筋細胞スペクトルのフィットにより具体的に説明された。以前のin vitro研究は、冠動脈のような筋肉性動脈の中膜の大多数を含んでなる平滑筋細胞はミオシンよりもおよそ3倍より多いアクチンを含有するが、しかしほぼ等量のミオシンおよびトロポミオシンを含有することを示した。しかしながら、生化学的モデルでのフィットの寄与率は、平滑筋細胞が少量のトロポミオシンを伴いかつ事実上ミオシンを伴わずにほとんど独占的にアクチンを含有したことを示した。これらの予期しない結果は、組織抽出したミオシンとin situの細胞内ミオシンとの間のミオシンの分光学的特徴のコンホメーションの差異によるかもしれない。加えて、グリコサミノグリカンでみられるとおり、弱いラマン散乱体の寄与が過小評価されているかもしれない。 Although biochemical models have provided valuable information regarding the biochemical composition of microscopic cellular and extracellular morphological structures, it has its limitations. One of the main limitations of this model and / or reference was specifically explained by the fit of the smooth muscle cell spectrum. Previous in vitro studies have shown that smooth muscle cells comprising the majority of the media of muscular arteries such as coronary arteries contain approximately three times more actin than myosin, but approximately equal amounts of myosin and tropomyosin It was shown to contain. However, the contribution of fit in the biochemical model indicated that smooth muscle cells contained actin almost exclusively with a small amount of tropomyosin and virtually no myosin. These unexpected results may be due to a conformational difference in the spectroscopic characteristics of myosin between tissue extracted myosin and in situ intracellular myosin. In addition, as seen with glycosaminoglycans, the contribution of weak Raman scatterers may be underestimated.
観察された変動はまた、参照に包含されていない生化学的化合物の寄与にもよるかもしれない。例えば1分類のコラーゲンのみを包含した。異なる分類のコラーゲンのラマンスペクトルにin vitroでほとんど差異が観察されなかったため、これは大きな懸念となるはずはない。しかしながら、アテローム硬化性病変が進行する際の増大する架橋により、in vivoのコラーゲンのラマンスペクトルに有意の変化が存在するかもしれない。 The observed variation may also be due to the contribution of biochemical compounds not included in the reference. For example, only one class of collagen was included. This should not be a major concern since little difference was observed in vitro in the Raman spectra of different classes of collagen. However, there may be significant changes in the Raman spectrum of collagen in vivo due to increased cross-linking as atherosclerotic lesions progress.
これらの限界にもかかわらず、同一の生化学的モデルを使用する正常およびアテローム硬化症の動脈組織の以前の定量的ラマン分光法による生化学的分析の結果は、標準的分析技術に十分に匹敵した。以前の研究はまた、これらの定量的ラマン分光法の生化学的分析が、非アテローム硬化性または石灰化若しくは非石灰化アテローム硬化性斑のいずれかに動脈組織を正確に分類した診断アルゴリズムの基礎として使用し得ることもまた示している。本発明の好ましい態様の結果は、生化学的モデルの改変を使用して、正常およびアテローム硬化症の動脈組織の細胞および細胞外の形態学的成分の相対的比較を実施し得ることを示す。さらに、別の好ましい態様は、冠動脈のアテローム硬化症の診断を可能にするアルゴリズムの基礎としてこれらの相対的な形態学的比較を使用し得ることを示す。これは、ex vivoで正常動脈およびアテローム硬化性斑を正確に分類しかつ将来はin vivoで斑の安定性および疾患の進行を予測する目的を伴う定量的ラマン分光法の形態学的分析の開発における第一段階である。 Despite these limitations, the results of previous quantitative Raman spectroscopy biochemical analysis of normal and atherosclerotic arterial tissues using the same biochemical model are sufficiently comparable to standard analytical techniques. did. Previous studies have also shown the basis of a diagnostic algorithm in which the biochemical analysis of these quantitative Raman spectroscopy has accurately classified arterial tissue as either non-atherosclerotic or calcified or non-calcified atherosclerotic plaque It can also be used as The results of the preferred embodiments of the present invention show that modifications of the biochemical model can be used to perform a relative comparison of cellular and extracellular morphological components of normal and atherosclerotic arterial tissue. Furthermore, another preferred embodiment shows that these relative morphological comparisons can be used as the basis of an algorithm that allows diagnosis of coronary atherosclerosis. This develops the morphological analysis of quantitative Raman spectroscopy with the goal of accurately classifying normal arteries and atherosclerotic plaques ex vivo and in the future predicting plaque stability and disease progression in vivo Is the first stage.
好ましい態様の生化学的モデル参照を使用して、慣習的分析的技術を使用して単離若しくは精製し得ない無傷の動脈組織中の(泡沫細胞および壊死中心のような)個々の微視的形態学的構造のin situの生化学的分析を実施するのに使用されるべき共焦点ラマン顕微分光法が具体的に説明される。さらに、多様な形態学的構造は特徴的なラマンスペクトルを有し、それらは期待されるとおり構造ごとに若しくは動脈ごとにほとんど変動せずかつex vivoで正常のおよびアテローム硬化症の冠動脈の形態学の相対比較を実施するための形態学的参照の基礎スペクトルとして使用し得る。この非破壊的技術は、最終的には、ヒトにおける斑の安定性および疾患の進行をin vivoで評価するため、ならびに動物モデルでの粥腫発生およびin vitroの細胞培養物中の脂質代謝を研究するために使用されるかもしれない。 Using the biochemical model reference of the preferred embodiment, individual microscopic (such as foam cells and necrotic centers) in intact arterial tissue that cannot be isolated or purified using conventional analytical techniques A confocal Raman microspectroscopy method to be used to perform in situ biochemical analysis of morphological structures is specifically described. In addition, the various morphological structures have characteristic Raman spectra, which vary little from structure to structure or from artery to artery as expected, and ex vivo normal and atherosclerotic coronary artery morphology Can be used as the base spectrum of the morphological reference for performing relative comparisons. This non-destructive technique ultimately evaluates plaque stability and disease progression in humans, as well as atherogenesis in animal models and lipid metabolism in cell cultures in vitro. May be used for research.
本発明の態様はラマンスペクトルを形態学に関して解読する。例えばラマンスペクトルは形態学的構造、例えば特定の化合物と関連し得る泡沫細胞と関連し得る。さらに、スペクトルの数を、例えば多数の化学物質スペクトルから形態学的構造に関連するわずか8種の独特のスペクトルまで減少させて、それによりフィットの誤差を低下させ得る。本発明の光ファイバーカテーテル系を使用して脆弱な斑を同定かつモニターするために利用可能である診断法は、化学的組成、形態学的構造、内膜層の肥厚化および上にかぶさるコラーゲン層の薄化についての情報の使用を包含する。好ましい態様はコラーゲンの割合を測定することによるコラーゲンの深さの決定を包含する。さらに、石灰化の存在をモニターし、そしていかなる縁も同定しかつ潜在的な破裂および血餅の指標としてコラーゲンに関して位置を突き止める。以前に論考されたとおり、非石灰化斑中のコラーゲン線維の低下した部分的なフィットの寄与率が不安定な斑の指標である。 Embodiments of the present invention interpret the Raman spectrum with respect to morphology. For example, the Raman spectrum can be associated with morphological structures, such as foam cells that can be associated with a particular compound. Furthermore, the number of spectra can be reduced, for example from a large number of chemical spectra to as few as eight unique spectra associated with morphological structures, thereby reducing fit errors. Diagnostic methods that can be used to identify and monitor vulnerable plaques using the fiber optic catheter system of the present invention include chemical composition, morphological structure, thickening of the intima layer and overlying collagen layers. Includes the use of information about thinning. A preferred embodiment involves the determination of collagen depth by measuring the percentage of collagen. In addition, the presence of calcification is monitored and any edges are identified and located with respect to collagen as an indicator of potential rupture and clots. As previously discussed, the reduced partial fit contribution of collagen fibers in non-calcified plaques is an indicator of unstable plaques.
好ましい態様は、組織からのラマン分布を特徴付けることにより系のスループットを完全に利用するような光学系の設計を実施する。該態様は収集効率を至適化し、ノイズを最小にし、そして1秒で高品質のデータを収集することが可能な小直径の高度に効率的なラマンプローブをもたらした。該態様の性能は組織モデルおよびいくつかのin vitro組織型を用いたシミュレーションおよび実験により試験され、これらの態様が臨床的に実現可能な技術としてラマン分光法を進歩させ得ることを示す。 A preferred embodiment implements an optical system design that fully utilizes the throughput of the system by characterizing the Raman distribution from the tissue. The embodiment optimized the collection efficiency, minimized noise, and resulted in a small diameter highly efficient Raman probe capable of collecting high quality data in 1 second. The performance of the embodiments has been tested by simulations and experiments using tissue models and several in vitro tissue types, indicating that these embodiments can advance Raman spectroscopy as a clinically feasible technique.
ラマン分光法は疾患を診断しかつ生物学的組織を研究するための価値あるかつ正確なツールであることが判明してきている。分子結合の振動および回転についての詳細な情報を提供するのにレーザー励起が使用される。サンプル中の各化学的部分は独特の分子構造を有するため、その組成は非弾性散乱励起光の分光学的分析により評価し得る。 Raman spectroscopy has proven to be a valuable and accurate tool for diagnosing disease and studying biological tissues. Laser excitation is used to provide detailed information about the vibration and rotation of molecular bonds. Since each chemical moiety in the sample has a unique molecular structure, its composition can be evaluated by spectroscopic analysis of inelastically scattered excitation light.
in vitro研究はラマン分光法の医学的潜在能力を確立した。事実、ラマンスペクトルは、他の分光学的方法で得ることができない広範な化学的および形態学的構成要素についての特定の情報を提供する能力を有するため、多くの疾患が検討されている。例えば、冠動脈中の不安定なアテローム硬化性斑の破裂は大多数の致死的心筋梗塞の原因である。斑の破裂の見込みが化学的組成に関係することが確立されており、そして、ラマン分光法はこれに基づく大部分の犯人の病変を識別する独特の能力を有するかもしれない。この方法がリアルタイム解析を伴い臨床で成功裏に実施され得る場合は、心血管系疾患の診断および効果的な治療の指導、若しくは悪性腫瘍の特徴付けならびに切除縁をモニターすることによるそれらの完全な切除の確認のような広範な応用にそれを使用し得る。 In vitro studies have established the medical potential of Raman spectroscopy. In fact, many diseases are being considered because the Raman spectrum has the ability to provide specific information about a wide range of chemical and morphological components that cannot be obtained with other spectroscopic methods. For example, the rupture of unstable atherosclerotic plaques in the coronary arteries is responsible for the majority of fatal myocardial infarctions. It has been established that the likelihood of plaque rupture is related to chemical composition, and Raman spectroscopy may have the unique ability to identify most criminal lesions based on this. If this method can be successfully implemented in clinical practice with real-time analysis, direct diagnosis of cardiovascular disease and guidance of effective treatment, or characterization of malignant tumors and their completeness by monitoring the margin of resection. It can be used for a wide range of applications such as confirmation of resection.
多くの医学的応用は、解剖学的考慮によりプローブおよびファイバー束の大きさが厳格に制限される光ファイバーを使用する遠隔サンプリングを必要とする。例えば、冠動脈のアテローム硬化症および乳癌を臨床的に評価する能力は、それらが標準的心血管カテーテル中に組み込まれ得るか若しくは光学的針生検のため構成され得るように直径がおよそ2mm若しくはそれ未満であるプローブを必要とする。加えて、データ取得時間は多くても数秒に制限されなければならない。 Many medical applications require remote sampling using optical fibers where anatomical considerations severely limit the size of the probe and fiber bundles. For example, the ability to clinically assess coronary atherosclerosis and breast cancer is approximately 2 mm in diameter or less so that they can be incorporated into standard cardiovascular catheters or configured for optical needle biopsy Need a probe that is In addition, the data acquisition time must be limited to a few seconds at most.
冠動脈アテローム硬化症に関して、脆弱なアテローム硬化性斑の検出は心事象の予測および予防に決定的に重要である。これらの脆弱な斑は臨床上無症状の血管中に存在し、そして生化学的変化すなわち泡沫細胞、脂質プール、炎症細胞、厚さ65μm未満である薄い線維性被膜および血栓症の存在を特徴とし得る。本発明の好ましい態様は、脆弱な斑を特徴付けるための前述の因子の存在に関して定量的な生化学的情報および形態学的解析を提供するためにラマンプローブを使用する。ラマンスペクトルの使用は狭い振動バンドの使用で分光学上有利であり、化学物質特異的でありかつ情報が豊富である。 With regard to coronary atherosclerosis, the detection of fragile atherosclerotic plaques is critical for the prediction and prevention of cardiac events. These vulnerable plaques are present in clinically asymptomatic blood vessels and are characterized by the presence of biochemical changes, ie foam cells, lipid pools, inflammatory cells, thin fibrous capsules less than 65 μm thick and thrombosis obtain. A preferred embodiment of the present invention uses a Raman probe to provide quantitative biochemical information and morphological analysis regarding the presence of the aforementioned factors to characterize vulnerable plaque. The use of Raman spectra is spectroscopically advantageous with the use of a narrow vibration band, is chemical specific and rich in information.
診断上、ラマン分光法の使用は生検が必要とされないため有利であり;また、それは低濃度の分子を直接測定して該分子の化学的組成および形態学的特徴を提供する。ラマン分光法を使用して、斑の安定性を評価し得、疾患の進行をモニターし得、また、斑の退縮および再狭窄を確認することにより治療的介入を評価し得る。 For diagnostic purposes, the use of Raman spectroscopy is advantageous because no biopsy is required; it also directly measures low concentrations of the molecule to provide its chemical composition and morphological characteristics. Raman spectroscopy can be used to assess plaque stability, monitor disease progression, and assess therapeutic intervention by confirming plaque regression and restenosis.
過去十年にわたって光ファイバープローブの設計において大きな進歩が存在し、ラマン分光法が潜在的に有用な臨床技術であることを示している。低−OHフューズドシリカが、近赤外での使用のための至適のファイバー支持体と決定された。適正な光学的フィルターの必要性は確立されており、そして多数のプローブ構成が探究されている。 There has been great progress in the design of fiber optic probes over the past decade, indicating that Raman spectroscopy is a potentially useful clinical technique. Low-OH fused silica has been determined to be the optimal fiber support for use in the near infrared. The need for a proper optical filter has been established and numerous probe configurations are being explored.
多くは商業的に入手可能なプローブを使用するin vivo研究は、皮膚および他の容易に到達可能な器官に制限されているか若しくは組織の研究に最適化されていない光学系の構成を有するかのいずれかであった。励起波長の選択のような他の困難に加え、最適でないプローブ設計は、実際の臨床使用には長すぎる収集時間をもたらしている。従って、ラマン分光法の臨床的潜在能力を実現することに対する重要な妨害は、in vivo組織に励起レーザー光を送達しかつラマン散乱光を効率的に収集することが可能な小直径の光ファイバーラマンプローブの開発である。 Whether in vivo studies, often using commercially available probes, are restricted to skin and other readily accessible organs or have an optical system configuration that is not optimized for tissue studies It was either. In addition to other difficulties such as choice of excitation wavelength, non-optimal probe designs have resulted in acquisition times that are too long for practical clinical use. Thus, an important impediment to realizing the clinical potential of Raman spectroscopy is the small diameter fiber optic Raman probe that can deliver excitation laser light to in vivo tissue and efficiently collect Raman scattered light Development.
ラマンプローブの好ましい態様は、遠隔器官に到達するために可撓性である小さな(およそ2mm)プローブを包含する。該プローブは、分析に使用されるスペクトルモデルの正確な臨床応用のためにおよそ1秒で高いS/N比(SNR)のスペクトルを収集することが可能である。これは安全なレベルのレーザー曝露で達成され、また、スループットおよび効率を最大にしつつ全ノイズ源を最小にすることにより達成される。 A preferred embodiment of the Raman probe includes a small (approximately 2 mm) probe that is flexible to reach remote organs. The probe is capable of collecting high signal-to-noise (SNR) spectra in approximately 1 second for accurate clinical application of the spectral model used for analysis. This is accomplished with a safe level of laser exposure and by minimizing the total noise source while maximizing throughput and efficiency.
いくつかのノイズ源が存在し、それらは好ましい態様において最小にされる。検出器の暗電荷および読み取りノイズは低温で冷却した電荷結合素子(CCD)検出器を使用することにより低下される。励起波長の選択もまたSNRに影響する。多くのラマンプローブ設計で行われるところの785nmでの励起は、830nmの励起に比較した場合に組織蛍光の最低4倍の増大をもたらす。この増大された蛍光はデータに有意のショットノイズを付加する。より長い励起波長が組織蛍光をさらに低下させるとは言え、ラマン断面が同時に減少される。それらは第四の力に対する励起周波数に依存するからである。さらに、水の吸収係数はより長波長で急速に増大し、それにより浸透の深さを減少させかつシグナルを減弱させる。830nmより大きい励起波長はまたCCD検出器の使用も妨害し、それにより単一の曝露で完全なラマンスペクトルを収集する能力を損なう。 There are several noise sources that are minimized in the preferred embodiment. Detector dark charge and read noise are reduced by using a low temperature cooled charge coupled device (CCD) detector. The choice of excitation wavelength also affects the SNR. Excitation at 785 nm, as done in many Raman probe designs, results in a minimum 4-fold increase in tissue fluorescence when compared to 830 nm excitation. This increased fluorescence adds significant shot noise to the data. Although longer excitation wavelengths further reduce tissue fluorescence, the Raman cross section is simultaneously reduced. This is because they depend on the excitation frequency for the fourth force. Furthermore, the absorption coefficient of water increases rapidly at longer wavelengths, thereby decreasing the depth of penetration and attenuating the signal. Excitation wavelengths greater than 830 nm also interfere with the use of CCD detectors, thereby compromising the ability to collect complete Raman spectra with a single exposure.
光ファイバーラマンプローブに特異的な主要な一ノイズ源は、送達および収集ファイバーそれら自身で生成されるスペクトルのバックグラウンドの長い間認識されている問題である。このバックグラウンドは検査されている組織部位からのシグナルより数桁より大きい。それはフューズドシリカコアからのラマン光、不純物および特定の開口数(NA)のファイバーを製造するのに使用されるドーパントからの蛍光、ならびに多様なジャケット素材からのシグナルより構成される。送達ファイバー中のレーザー光はファイバー中を横切る長い光路長(典型的には3ないし4メートル)による強いファイバーバックグラウンドを生成させる。このファイバースペクトルが組織表面から散乱され、そして収集ファイバーにより組織のラマンスペクトルと一緒に集められる。バックグラウンドはしばしば、組織中への光の比較的短い浸透によりわずかおよそ1mmのサンプルから生成される組織のラマンシグナルを遮蔽する。組織から後方散乱されたレーザー光はまた収集ファイバーにも進入し、追加のファイバーバックグラウンドを生じさせ、そして検出器に達する組織スペクトルの質をさらに損なう。目的のスペクトルを不明瞭にしかつ歪ませることに加え、強いファイバーバックグラウンドはシグナルにショートノイズを付加する。このノイズはしばしば組織のラマンバンドより大きい可能性があり、そして従って、光学的フィルターを使用することにより可能な限り多くのバックグラウンドを除去することが必要である。 One major noise source specific to fiber optic Raman probes is the long recognized problem of the spectral background generated by the delivery and collection fibers themselves. This background is several orders of magnitude greater than the signal from the tissue site being examined. It consists of Raman light from a fused silica core, impurities and fluorescence from dopants used to produce fibers with a specific numerical aperture (NA), and signals from various jacket materials. The laser light in the delivery fiber creates a strong fiber background with a long path length (typically 3 to 4 meters) across the fiber. This fiber spectrum is scattered from the tissue surface and collected by the collection fiber along with the tissue Raman spectrum. The background often masks the tissue Raman signal generated from a sample of only about 1 mm due to the relatively short penetration of light into the tissue. Laser light backscattered from the tissue also enters the collection fiber, creating additional fiber background and further degrading the quality of the tissue spectrum reaching the detector. In addition to obscuring and distorting the spectrum of interest, a strong fiber background adds short noise to the signal. This noise can often be larger than the tissue Raman band, and it is therefore necessary to remove as much background as possible by using an optical filter.
スループットを最適化しかつ収集効率を最大にする好ましい態様のプローブの設計での他の考慮は2成分を有する。第一のものはラマン効果の固有に弱い性質に関する。10億個の励起光子ごとからおよそわずか1個がラマン光子に変換される。従って、臨床上現実的な時間枠での正確な分析に十分なSNRをもつシグナルを収集するためにハイスループット光学系を設計することが決定的に重要である。第二の成分は組織それ自身の光学的特徴に関する。目的のシグナルは、励起レーザーの吸収および生成されたラマン光を介して直接減弱される。さらに、ラマン光の収集は、大きな面積および角度にわたって光子を広範囲に拡散させる光散乱により混乱される。従って、他の型の分光計若しくは非混濁(non−turbid)サンプルを検査するのに使用される単純なプローブの設計は、本応用に理想的でない。 Another consideration in the preferred embodiment probe design to optimize throughput and maximize collection efficiency has two components. The first relates to the inherently weak nature of the Raman effect. Only about one out of every billion excitation photons is converted to Raman photons. Therefore, it is critical to design high-throughput optics to collect signals with sufficient SNR for accurate analysis in clinically realistic time frames. The second component relates to the optical characteristics of the tissue itself. The signal of interest is directly attenuated via absorption of the excitation laser and the generated Raman light. Furthermore, the collection of Raman light is confused by light scattering that diffuses photons extensively over large areas and angles. Thus, simple probe designs used to examine other types of spectrometers or non-turbid samples are not ideal for this application.
好ましい態様は、光ファイバーのバックグラウンドの大部分を除去し、830nmの励起を使用し、組織中で生成されるラマン源からのシグナル収集を最大にして数秒若しくはそれ未満(1若しくは2秒)でのデータ収集を可能にし、そして剛性の遠位先端を長さ数mm未満および直径約2mm未満に制限しつつ安全なフルエンスレベルで作動する光ファイバーラマンプローブを包含する。 Preferred embodiments remove most of the fiber optic background, use 830 nm excitation, and maximize signal collection from Raman sources generated in the tissue in a few seconds or less (1 or 2 seconds). Includes fiber optic Raman probes that allow data collection and operate at a safe fluence level while limiting the rigid distal tip to less than a few millimeters in length and less than about 2 mm in diameter.
分析は、検出されたファイバーのスペクトルのバックグラウンドが励起および収集双方のファイバーで等しく生じていることを示している。望ましくないシグナルを抑制するため、2種の異なるフィルター(すなわち送達用に1個および収集用に1個)がプローブの遠位端で必要とされる。送達ファイバーは、ファイバーからのより長波長のスペクトルのバックグラウンドを遮断しつつレーザー励起光を伝播する短波長通過型若しくは帯域通過フィルターで終端する。収集ファイバーは、組織から後方散乱されたレーザー光を遮断しつつ組織のラマンスペクトルを伝播する長波長通過型フィルターすなわちノッチフィルターにより先行される。フィルターは、それらが作用するファイバーのNAに対応する角度の範囲にわたってこれらの機能を実施する。 The analysis shows that the spectral background of the detected fiber is equally occurring in both the excitation and collection fibers. Two different filters (ie, one for delivery and one for collection) are required at the distal end of the probe to suppress unwanted signals. The delivery fiber is terminated with a short wavelength pass or band pass filter that propagates the laser excitation light while blocking the longer wavelength spectral background from the fiber. The collection fiber is preceded by a long wavelength pass or notch filter that propagates the Raman spectrum of the tissue while blocking the laser light backscattered from the tissue. Filters perform these functions over a range of angles corresponding to the NA of the fiber on which they operate.
プローブの遠位端にフィルターを適応させるために、好ましい態様はフィルターモジュールを包含する。このモジュールは、また一平面上にロングパス誘電体コーティングを運搬するチューブ中に嵌合された、一平面上にショートパス誘電体フィルターコーティングを運搬するロッドよりなる。集成前にそれらのそれぞれのフィルターとともに別個に被覆されかつ例えばコロラド州ボールダーのResearch Electro−Optics,Inc.により二次加工されるサファイア若しくはフューズドシリカのいずれかから作成されるロッドおよびチューブが好ましい態様で使用される。ロッドは構成部品間の光学的隔離を提供することによりクロストークを予防するために金属製の薄いシートで包まれ若しくは被覆される。該モジュールはファイバー束と収集光学系との間にプローブの遠位端に配置される。好ましい態様のラマンプローブで使用されるフィルターの性能曲線を図5に示す(0cm−1=830nm)。ピーク伝播は典型的には90%より大きい一方、望ましくない光の拒絶は96%より大きい。 In order to adapt the filter to the distal end of the probe, a preferred embodiment includes a filter module. The module also consists of a rod carrying a short pass dielectric filter coating on a plane, fitted in a tube carrying a long pass dielectric coating on a plane. They are separately coated with their respective filters prior to assembly and, for example, Research Electro-Optics, Inc., Boulder, Colorado. Rods and tubes made from either sapphire or fused silica, which are secondarily processed by, are used in a preferred embodiment. The rod is wrapped or covered with a thin sheet of metal to prevent crosstalk by providing optical isolation between components. The module is placed at the distal end of the probe between the fiber bundle and the collection optics. The performance curve of the filter used in the preferred embodiment of the Raman probe is shown in FIG. 5 (0 cm−1 = 830 nm). Peak propagation is typically greater than 90%, while unwanted light rejection is greater than 96%.
一般に、光学系のスループット(すなわちエタンデュ)はその収集面積(A)および投影される立体角(Ω’)の積により与えられ、ここで
Ω’=πsin2(θ) (5)
かつ、光学軸に関して測定される収集の半角値(θ)について評価される。全部の光学系構成部品の反射および伝播の喪失(容易に至適化される因子)と一緒にファイバーカップリングの限界を無視すれば、系の収集能力はその最大の制限要素のスループットにより制限され、そしてこの量は系全体で保存される。
In general, the throughput (ie Etendue) of an optical system is given by the product of its collection area (A) and the projected solid angle (Ω ′), where
Ω ′ = πsin 2 (θ) (5)
And the half-angle value (θ) of the collection measured with respect to the optical axis. Ignoring the limitations of fiber coupling along with the loss of reflection and propagation of all optical components (a factor that can be easily optimized), the collection capacity of the system is limited by its maximum limiting factor throughput. And this amount is preserved throughout the system.
理想的な分光法の系においてスループットは分光器/CCD検出機器により決定される。好ましい態様において、分光器はΩ’D=0.225srのようなNA=0.278を有する(Holospec f/1.8i、Kaiser Optical Systems,Inc.、ミネソタ州アナーバー)。これは、また8mmの高さも有しかつ従ってスループットを損なわない裏面照射型の深空乏型CCD検出器(Spec−10:400BR、Roper Scientific、ニュージャージー州トレントン)に接続される。生物学的ラマン分光法に十分なスペクトル分解能(およそ8cm−1)を達成するために、分光器の入口で0.2mmのスリット幅を使用する。従って、収集の最大面積AD=1.6mm2であり、検出系についてADΩ’D=0.360mm2−srの理論上の最大スループットをもたらす。ラマン光源からの光の検出はこの積により制限され、また、収集光学系は系のスループットを保存するように設計される。 In an ideal spectroscopy system, the throughput is determined by the spectrometer / CCD detector. In a preferred embodiment, the spectrometer has an NA = 0.278, such as Ω ′ D = 0.225 sr (Holospec f / 1.8i, Kaiser Optical Systems, Inc., Ann Arbor, Minn.). It is also connected to a back-illuminated deep-depletion CCD detector (Spec-10: 400BR, Roper Scientific, Trenton, NJ) that also has a height of 8 mm and thus does not compromise throughput. In order to achieve sufficient spectral resolution (approximately 8 cm −1 ) for biological Raman spectroscopy, a slit width of 0.2 mm is used at the entrance of the spectrometer. Therefore, the maximum area of collection AD = 1.6 mm 2 , resulting in a theoretical maximum throughput of A D Ω ′ D = 0.360 mm 2 −sr for the detection system. The detection of light from a Raman light source is limited by this product, and the collection optics are designed to preserve system throughput.
組織中の拡散散乱は、それぞれ特定の分布を伴う大きな面積および4πの立体角にわたるラマン光の発射をもたらす。こうした光源からのシグナル収集の至適化は2段階を必要とする。第一に、混濁媒体から出るラマン光の分布を決定する。この分布は、収集の面積(若しくは角度)が変動される際にスループットの制約内での所定のラマン光源についての潜在的な光収集効率を規定する。これらの特性を使用して、収集光学系の設計のための効率を最大にするように、収集立体角と面積との間の至適のトレードオフを決定する。 Diffuse scattering in tissue results in the emission of Raman light over a large area with a specific distribution and a solid angle of 4π. Optimization of signal collection from such light sources requires two steps. First, the distribution of Raman light emitted from the turbid medium is determined. This distribution defines the potential light collection efficiency for a given Raman source within throughput constraints as the collection area (or angle) is varied. These characteristics are used to determine the optimal tradeoff between collection solid angle and area so as to maximize the efficiency for the design of the collection optics.
光ファイバープローブについて、該プローブの遠位端の光学系はまた、分光器と同一のNAを有するように選ばれる収集ファイバーへの効率的なカップリングのためラマン散乱光を変換するようにも設計する。さらに、シグナル収集を至適化するために、収集ファイバーに利用される遠位プローブ先端の面積を最大にすることが必要である。これは、分光器/CCDにより適応され得かつプローブ直径中に組み込まれ得るものまでの可能な限り多くの収集ファイバーの緊密に充填された環により囲まれる単一の中央励起ファイバーを使用することにより達成される。その後、遠位端のファイバーの円形束を、分光器への接続のため近位端で一列の直線に再成形する。 For fiber optic probes, the optics at the distal end of the probe are also designed to convert Raman scattered light for efficient coupling to a collection fiber that is chosen to have the same NA as the spectrometer. . Furthermore, in order to optimize signal collection, it is necessary to maximize the area of the distal probe tip utilized for the collection fiber. This is achieved by using a single central excitation fiber surrounded by a tightly packed ring of as many collection fibers as can be accommodated by the spectrometer / CCD and incorporated into the probe diameter. Achieved. The circular bundle of fibers at the distal end is then reshaped into a straight line at the proximal end for connection to the spectrometer.
励起光学系の適正な選択もまた決定的に重要である。フューズドシリカ光ファイバー中で生成されるバックグラウンドの強度はNAの二乗に比例するが、しかしコア直径に比較的依存しない。従って、収集ファイバーのNAを分光器に一致させることが望ましいとは言え、より小さいNAをもつ励起ファイバーを使用することが好ましい。このNAを低下させることはまた遠位端での減少されたビーム発散も提供し、それによりショートパスフィルター性能を向上させる。結果は、非常に小さいNA(0.12)をもつファイバーが、おそらくクラッドで使用されるドーピング素材から生成される実質的に増大された広帯域ファイバーバックグラウンドを表すことを示す。従って、中程度のNA(0.22)を使用することが最も効果的である。その場合、効率的な収集を助長するようにスポットサイズを制限しつつ組織での安全な照明フルエンスを確実にするのに適切な励起ファイバー直径を選び得る。 Proper selection of the excitation optics is also critical. The intensity of the background generated in the fused silica optical fiber is proportional to the square of NA, but is relatively independent of the core diameter. Therefore, although it is desirable to match the NA of the collection fiber to the spectrometer, it is preferable to use an excitation fiber with a smaller NA. Lowering this NA also provides reduced beam divergence at the distal end, thereby improving short pass filter performance. The results show that fibers with very small NA (0.12) represent a substantially increased broadband fiber background, possibly generated from the doping material used in the cladding. Therefore, it is most effective to use moderate NA (0.22). In that case, an appropriate excitation fiber diameter may be chosen to ensure a safe illumination fluence in the tissue while limiting the spot size to facilitate efficient collection.
至適の収集形状の決定は組織からのラマン光の分布の特徴付けを必要とする。この光源は光源半径rおよび発射角θ双方への回旋状の依存を伴う表面から発する所定の輝度B(r,θ)を有する。組織からの収集に利用可能なラマン光の総量は Determining the optimal collection shape requires characterization of the distribution of Raman light from the tissue. This light source has a predetermined brightness B (r, θ) emanating from the surface with a convoluted dependence on both the light source radius r and the launch angle θ. The total amount of Raman light available for collection from the organization is
により与えられ、ここでdA=(2πr)drおよびdΩ=2πsin(θ)dθ。該積分は光源の全面積および立体角に持ち越され、その後者は後方散乱の幾何学について2πに制限される。 Where dA = (2πr) dr and dΩ = 2πsin (θ) dθ. The integral is carried over to the total area and solid angle of the light source, the latter being limited to 2π for backscattering geometry.
B(r,θ)が個別の分布B1(r)(励起光からの半径方向距離のみの関数)およびB2(θ)(正規表面(surface normal)からの角度にのみ依存する)に独立に分離し得ることが想定される場合には、それぞれを実験的に測定し得る。これらの分布を使用して、 B (r, θ) is independent of the individual distributions B 1 (r) (a function of only the radial distance from the excitation light) and B 2 (θ) (depends only on the angle from the normal surface) Each can be measured experimentally. Using these distributions,
[式中I1(r)およびI2(θ)は組織から発する積分済放射状および角度分布である]
のように、光源から発射される光を近似する。
[Wherein I 1 (r) and I 2 (θ) are integrated radial and angular distributions originating from the tissue]
The light emitted from the light source is approximated as follows.
このラマン光源についての光学系の効率は、光源から発射される光全体により正規化されかつスループットの保存により制約される収集光学系の特性にわたって放射状および角度の輝度を積分することにより計算する。この生じる効率曲線 The efficiency of the optical system for this Raman light source is calculated by integrating the radial and angular luminance over the characteristics of the collection optical system normalized by the total light emitted from the light source and constrained by throughput conservation. This resulting efficiency curve
を使用して、収集半径と立体角との間の至適のトレードオフを指定することによりプローブ光学系の設計を導く。角度効率η2(θ)はスループットの保存を使用することにより半径の関数η2(r(θ))に変換し得、総収集効率の単一変数関数ηT(r)をもたらす。 Is used to guide the design of the probe optics by specifying the optimal trade-off between collection radius and solid angle. Angular efficiency η 2 (θ) can be converted to a function of radius η 2 (r (θ)) by using throughput conservation, resulting in a single variable function η T (r) of total collection efficiency.
アテローム硬化症を診断する応用により導かれて、動脈組織からのラマン光の放射状および角度分布を検査した。正常動脈組織が典型的にその光学特性(例えば散乱および吸収係数)ならびに相対的ラマン断面により他の動脈疾患状態に比較して最も弱いシグナルを表すためにそれを使用した。 Guided by the application to diagnose atherosclerosis, the radial and angular distribution of Raman light from arterial tissue was examined. Normal arterial tissue was typically used to represent the weakest signal compared to other arterial disease states due to its optical properties (eg, scattering and absorption coefficients) and relative Raman cross sections.
ラマン光の空間的分布B1(r)の特徴付けを本発明の好ましい態様で決定した。簡潔には、小型プリズムを介して830nmの励起を集中させかつサンプルに向けた。励起スポット直径はおよそ100μmでありかつサンプルはリン酸緩衝生理的食塩水(PBS、pH7.4)を含有するクォーツ製キュベット中に保持した。14°ないし33°の角度範囲でカセグレン対物レンズにより後方散乱光を収集した。ラマン光のこの範囲全体を収集し、平行にしかつノッチフィルタリングしてRayleigh散乱光を排除した。単一の100μmの中心光ファイバーは、250μmのステップサイズでビームを側方に横切り移動させて(translate)離れた空間領域の画像を収集した。該対物レンズからの拡大を説明して、これはサンプル表面でのおよそ104μmのステップサイズに対応する。ファイバーをf/1.8分光器に接続しそして光をCCD検出器上に分散させた。−CH2屈曲モードからの1450cm−1のラマンバンドの強度を積分し、最大シグナルに正規化し、そして励起光源からの放射状方向の距離の関数としてプロットした。励起ビームのいずれの側での結果もほぼ対称であり、そして、2つの側についての平均B1(r)を図39B(○)に提示する。 The characterization of the spatial distribution of Raman light B 1 (r) was determined in a preferred embodiment of the invention. Briefly, the 830 nm excitation was focused and directed to the sample via a small prism. The excitation spot diameter was approximately 100 μm and the sample was kept in a quartz cuvette containing phosphate buffered saline (PBS, pH 7.4). Backscattered light was collected by a Cassegrain objective in the 14 ° to 33 ° angular range. This entire range of Raman light was collected, collimated and notch filtered to eliminate Rayleigh scattered light. A single 100 μm central optical fiber collected images of spatial regions separated by translating the beam laterally with a step size of 250 μm. Explaining the magnification from the objective lens, this corresponds to a step size of approximately 104 μm on the sample surface. The fiber was connected to an f / 1.8 spectrometer and the light was dispersed on a CCD detector. The intensity of the 1450 cm −1 Raman band from —CH 2 bending mode was integrated, normalized to the maximum signal, and plotted as a function of radial distance from the excitation source. The results on either side of the excitation beam are nearly symmetric, and the average B 1 (r) for the two sides is presented in FIG. 39B (◯).
この放射状分布を多ガウス分布に至適に当てはめ(図39B、線)、 Optimally fitting this radial distribution to a multi-Gaussian distribution (FIG. 39B, line),
をもたらす(rはmm)。最初の項により表される狭い分布は、最も強いラマンエネルギー分布を生じさせる弾道レーザー光により生成されるラマン光に関することがありそうである。他の項は動脈組織の層構造によってもまた影響される拡散光の原因である。その後、このデータを積分しかつ正規化して、期待されたガウス分布依存性(線)を示す最小二乗法フィットと一緒に励起ビームからの距離の関数として(○)図39Cに示される放射状の収集効率η1(r)を決定する。 (R is mm). The narrow distribution represented by the first term is likely to relate to the Raman light produced by the ballistic laser light that produces the strongest Raman energy distribution. The other term is responsible for diffuse light that is also affected by the layer structure of arterial tissue. This data is then integrated and normalized to obtain the radial collection shown in FIG. 39C as a function of distance from the excitation beam, along with a least squares fit showing the expected Gaussian distribution (line). The efficiency η 1 (r) is determined.
角度分布は開放(open−air)光学系のラマン系のわずかな改変を用いて決定した。別個の角度分布B2(θ)を測定するよりもむしろI2(θ)を直接測定した。簡潔には、830nmの励起光が収集レンズとサンプルとの間の小さな鏡により組織上に直接入射した。ノッチフィルタリング前にビームを平行にするf/1.2カメラレンズにより後方散乱ラマン光を収集しそしてその後CCD検出器による検出のためf/#整合レンズを介してf/4分光器上に集中させた。励起光はおよそ100μm直径まで集中させ、また、収集半径はおよそ1mmであった。収集レンズは、収集角度の変動および積分済角度ラマン分布の直接測定を見込む開き絞り虹彩により先行された。図40Bは組織からのラマン光の実験的に決定されたη2(θ)(○)をプロットする。分布はレンズにより収集される制限された角度により20°付近で平坦となる。組織から出る光は一般にcos(θ)すなわちランバーティアン依存に従い、式中θは正規表面に関する角度である。積分済分布は従って図40B中にもまたプロットされる(線)sin2(θ)依存を有するはずであり、収集角度の範囲にわたる実験と理論との間の理にかなった良好な一致を示す。 The angular distribution was determined using a slight modification of the Raman system of open-air optics. Rather than measuring a separate angular distribution B 2 (θ), I 2 (θ) was measured directly. Briefly, 830 nm excitation light was directly incident on the tissue by a small mirror between the collection lens and the sample. Backscattered Raman light is collected by an f / 1.2 camera lens that collimates the beam prior to notch filtering and then focused on the f / 4 spectrometer via an f / # matching lens for detection by a CCD detector. It was. The excitation light was concentrated to approximately 100 μm diameter and the collection radius was approximately 1 mm. The collection lens was preceded by an aperture iris that allows for a direct measurement of the collection angle variation and the integrated angular Raman distribution. FIG. 40B plots the experimentally determined η 2 (θ) (◯) of Raman light from the tissue. The distribution is flat around 20 ° due to the limited angle collected by the lens. The light exiting the tissue generally follows cos (θ) or Lambertian dependence, where θ is an angle with respect to the normal surface. The integrated distribution should therefore have a (line) sin 2 (θ) dependence also plotted in FIG. 40B, showing a reasonable good agreement between experiment and theory over the range of collection angles. .
図39Cおよび40Bからη1(r)および変換されたη2(θ)→η2(r(θ))の積を取ることは、系のスループットおよび組織のこの特定の組合せについての効率曲線ηT(r)(図41)をもたらす。8.62%という至適の効率は、0.191mmの収集半径および対応する90°の角度で発生する。これは、分布の縁でより弱いテーリングに伸長しつつより小さい範囲の角度を収集するよりもむしろ最も強い照明領域からのラマン光の完全な角度範囲を収集することが好ましいことを示す。 Taking the product of η 1 (r) and transformed η 2 (θ) → η 2 (r (θ)) from FIGS. 39C and 40B yields an efficiency curve η for this particular combination of system throughput and tissue. Resulting in T (r) (FIG. 41). An optimal efficiency of 8.62% occurs with a collection radius of 0.191 mm and a corresponding 90 ° angle. This indicates that it is preferable to collect a complete angular range of Raman light from the strongest illumination region rather than collecting a smaller range of angles while stretching to a weaker tailing at the edge of the distribution.
その後、ラマン光源の特徴付け研究の結果をZemax v.10.0、アリゾナ州トゥーソンのFocus Software,Inc.により提供される光学的設計基準に組み込み、光ファイバーへの効率的なカップリングのための集められた光の最大のシグナル収集および変換に最適な光学系を決定する。これらの特定のパラメータ近くで作動するように洗練された光学系を設計することが可能であるとは言え、所定の応用により課せられる空間的制約が構築をひどく困難にするとみられる。事実、Zemaxを用いた検討は、高い屈折率を使用する場合に単純なボールレンズの使用が理にかなった性能をもたらすことを示した。いくつかの支持体が検討され、そして、最も高屈折率のガラスがドーピング素材により極めて蛍光性であることが決定された。しかしながら、屈折率が1.77であるサファイアは広角の収集を見込む。サファイアは蛍光を表さず、単一の鋭いラマンバンドのみを有し、そして非常に広範な波長領域を通じて光学的に透明である。加えてサファイアは極めて硬質であり、従ってそれを複数回使用のラマンプローブに対する優れた選択とする。 After that, the results of the Raman light source characterization study are shown in Zemax v. 10.0, Focus Software, Inc. of Tucson, Arizona. Incorporated into the optical design criteria provided by, determines the optimal optical system for maximum signal collection and conversion of the collected light for efficient coupling to an optical fiber. Although it is possible to design sophisticated optics to operate near these specific parameters, the spatial constraints imposed by a given application appear to be extremely difficult to build. In fact, studies with Zemax have shown that the use of a simple ball lens provides reasonable performance when using a high refractive index. Several supports have been investigated and it has been determined that the highest refractive index glass is highly fluorescent due to the doping material. However, sapphire with a refractive index of 1.77 expects a wide angle collection. Sapphire does not exhibit fluorescence, has only a single sharp Raman band, and is optically transparent through a very broad wavelength range. In addition, sapphire is extremely hard, thus making it an excellent choice for multi-use Raman probes.
生じるラマンプローブの設計を図4Aおよび4Bに提示する。左側はプローブ先端の長軸方向図を示す一方、右側はファイバーとフィルターの界面の水準での断面図を示す。収集ファイバーとのクロストークを防止するための光学的隔離のためのアルミニウム製ジャケットをもつ中央励起ファイバーが存在する。このファイバーはショートパス励起ロッドとレジストレーションに配置される。ロッドはロングパス収集フィルターチューブの内側に配置され、2者は金属製スリーブにより光学的に隔離される。その後、励起ファイバーは、レジストレーションされている収集ファイバーのロングパスフィルターチューブの中央との適正なアライメントを確実にするように緩衝される。中央励起ファイバーは0.22のNAを伴う200μmのコアを有する。収集ファイバーもまた200μmのコアを有するが、しかし0.27のNA(分光器のものに緊密に整合されている)を有する。フィルターは、屈折率整合光学的セメントでファイバーに固定され、そしてファイバー束/フィルターモジュール全体は接続および保護のためのブラックテフロンで包まれる。プローブ長は4メートルである。 The resulting Raman probe design is presented in FIGS. 4A and 4B. The left side shows a longitudinal view of the probe tip, while the right side shows a cross-sectional view at the fiber / filter interface level. There is a central excitation fiber with an aluminum jacket for optical isolation to prevent crosstalk with the collection fiber. This fiber is placed in registration with the short path excitation rod. The rod is placed inside the long pass collection filter tube and the two are optically isolated by a metal sleeve. The excitation fiber is then buffered to ensure proper alignment of the registered collection fiber with the center of the long pass filter tube. The central excitation fiber has a 200 μm core with 0.22 NA. The collection fiber also has a 200 μm core, but has a NA of 0.27 (closely matched to that of the spectrometer). The filter is fixed to the fiber with a refractive index matching optical cement and the entire fiber bundle / filter module is wrapped in black Teflon for connection and protection. The probe length is 4 meters.
フィルターロッドおよびチューブは長さ1mmであり、サファイアボールレンズの適正な空間配置を確実にする。この形状は2つの考慮を取り扱う。第一に、このファイバーとレンズの分離では、励起光は大まかに平行にされかつ組織上の密なスポットに集中されず、それによりサンプルに入射するエネルギー密度を低下させかつ可能な損傷を予防する。第二に、ボールレンズが組織から出る大きな角度分布をファイバーのNA内にある十分に平行にされたビームに変換するため、ラマン散乱光の収集ファイバーへの優れたカップリングが確実にされる。ボールレンズは、ひだ付けステンレス鋼チューブにエポキシで固定され、液体が先端に漏出しないことを確実にする。該ステンレス鋼チューブはその後ファイバー束/フィルターアセンブリに固定される。ボールレンズの収集効率を最大にするために、内表面上で使用される接着剤は存在しない。 The filter rod and tube are 1 mm long to ensure proper spatial placement of the sapphire ball lens. This shape handles two considerations. First, in this fiber and lens separation, the excitation light is roughly collimated and not concentrated in a dense spot on the tissue, thereby reducing the energy density incident on the sample and preventing possible damage . Second, since the ball lens converts the large angular distribution exiting the tissue into a well collimated beam that is within the NA of the fiber, excellent coupling of Raman scattered light to the collection fiber is ensured. The ball lens is secured to the pleated stainless steel tube with epoxy to ensure that no liquid leaks to the tip. The stainless steel tube is then secured to the fiber bundle / filter assembly. There is no adhesive used on the inner surface to maximize the collection efficiency of the ball lens.
このプローブの総直径は3mmより下である。現在の大きさを制限する因子はボールレンズの直径(フィルターチューブの幅全体を収容するために2mmである)である。分光器のスループットをより完全に利用する収集ファイバーの2個のリング合計27本のファイバー)をもつラマンプローブを構築するのにこの形状が使用されているため、このフィルターの大きさが選ばれた。実務において、単リングプローブは優れたシグナル収集を提供しかつはるかにより可撓性かつ構築するのが容易であるため、それを使用し得る。最近の研究は、収集効率を大きく低下させることなくプローブの直径を減少させ得ることを示した。中央収集ロッドの直径は構築の容易さのため0.55mmであるように選んだ。プローブの全構成部品は、外科的処置のための標準的冷気体エチレンオキサイド滅菌に耐え得る医用等級素材から構築される。 The total diameter of this probe is below 3 mm. The factor limiting the current size is the diameter of the ball lens (2 mm to accommodate the entire width of the filter tube). The size of this filter was chosen because this shape was used to build a Raman probe with a collection fiber (2 rings totaling 27 fibers) that more fully utilizes the spectrometer's throughput. . In practice, a single ring probe can be used because it provides excellent signal collection and is much more flexible and easier to construct. Recent studies have shown that the probe diameter can be reduced without significantly reducing the collection efficiency. The diameter of the central collection rod was chosen to be 0.55 mm for ease of construction. All components of the probe are constructed from medical grade materials that can withstand standard cold gas ethylene oxide sterilization for surgical procedures.
ラマンプローブの設計をシミュレーションによりおよび実験的に試験した。シミュレーション実験はZemaxのプローブモデルを用いて実施し、プローブ設計の2局面を検討した。第一に、安全性を確実にするために励起スポット直径を検討した。第二に、多様なラマン光源についての収集効率を検査してある範囲の条件にわたるプローブ性能を決定した。 The design of the Raman probe was tested by simulation and experimentally. The simulation experiment was conducted using a Zemax probe model, and two aspects of probe design were examined. First, the excitation spot diameter was examined to ensure safety. Second, the collection efficiency for various Raman light sources was examined to determine probe performance over a range of conditions.
励起スポットサイズのシミュレーションの結果を図42に示す。空中に配置されたプローブを伴う1種(○)およびシミュレーション組織モデルに浸積したプローブを伴う1種(□;よりありそうな臨床での形状)の2構成を検討した。組織モデルは、水の屈折率および人工組織の散乱特性すなわちg=0.9、平均自由光路=0.27mmを用いて構築した。図から見ることができるとおり、プローブが空中にある場合、レンズからおよそ1mm離れておよそ175μmの半値幅(FWHM)へのわずかな集中が存在する。しかしながら、散乱の場合にはビームはボールレンズの表面から直ちに発散し始め、200μm未満のFWHMより下にならない。このスポットサイズは、臨床の情況で使用されるレーザー出力および曝露時間でのいかなる報告された損傷の閾値よりも十分に下のフルエンスを生じさせる。データ収集プロトコルは5秒未満の時間におよそ100mWの励起を使用して設計され、従って典型的に報告されているものよりもはるかに下のフルエンスを生じさせる。 The result of the simulation of the excitation spot size is shown in FIG. Two configurations were investigated: one with a probe placed in the air (O) and one with a probe immersed in a simulated tissue model (□; more likely clinical shape). The tissue model was constructed using the refractive index of water and the scattering properties of the artificial tissue, ie g = 0.9, mean free light path = 0.27 mm. As can be seen from the figure, when the probe is in the air, there is a slight concentration about 1 mm away from the lens to a full width at half maximum (FWHM) of about 175 μm. However, in the case of scattering, the beam begins to diverge immediately from the surface of the ball lens and does not fall below the FWHM of less than 200 μm. This spot size produces a fluence well below any reported damage threshold at the laser power and exposure time used in the clinical context. The data collection protocol is designed using approximately 100 mW excitation in less than 5 seconds, thus producing a fluence far below that typically reported.
収集効率を類似の方法でZemaxモデルから決定した(図14)。多様な半径のランバーティアン光源をプローブと接触させて配置し、そして収集ファイバーの近位端から出る光の割合を測定した。これらのシミュレーションについて、27本の収集ファイバーを伴う二重リングプローブのモデルを実装した。これが分光器のスループットをより完全に利用しているためである。再度、2つの状況を検討した。第一のものはプローブと接触する光源を有したがしかしボールレンズの外表面がいかなる屈折率整合も経験しないようにレンズを空中で維持した(実線を伴う○)。第二のものもまたプローブと接触する光源を有したが、しかし今やレンズおよび光源は双方とも上述されたシミュレーション組織モデル中に浸積した(破線を伴う○)。プローブは小光源について高い収集効率(35%まで)を表すが、しかし、光源がより大きくなる際に効率は下落した。該組織モデルの結果もまた優れており、プローブが屈折率整合性でなかった場合についてより約1.75倍より小さい効率を生じさせた。 Collection efficiency was determined from the Zemax model in a similar manner (Figure 14). Various radius Lambertian light sources were placed in contact with the probe and the fraction of light exiting the proximal end of the collection fiber was measured. For these simulations, a model of a double ring probe with 27 collection fibers was implemented. This is because the throughput of the spectrometer is more fully utilized. Again, two situations were examined. The first had a light source in contact with the probe, but kept the lens in the air so that the outer surface of the ball lens did not experience any index matching (circle with solid line). The second also had a light source in contact with the probe, but now both the lens and the light source were immersed in the simulation tissue model described above (circle with a dashed line). The probe exhibits high collection efficiency (up to 35%) for small light sources, but efficiency declined as the light source became larger. The tissue model results were also excellent, yielding an efficiency of about 1.75 times less than when the probe was not index matched.
光源からの測定されたラマン分布をモデル化しかつプローブの端に配置した、別の好ましい態様の付加的な一構成もまた検討した。これは空気および組織界面についてそれぞれ3.5%および1.7%の収集効率をもたらした。8.6%という最大の収集効率はスループットを完全に利用することから生じるが、しかしながら、光ファイバーを使用することにより分光器スリット領域の53%のみが使用される。従って、期待される最大の収集効率は4.6%であり、ボールレンズがピーク近くで作動していることを示す。低下したスループットにより引き起こされる同一の53%により効率曲線を乗算することにより、ボールレンズの効率が45°の収集角に対応する0.27mmの収集半径を示すことをみることができる。改善の余地はあるものの、これは優れた収集効率でありかつ実行の容易さは非常に実際的である。 An additional configuration of another preferred embodiment was also considered in which the measured Raman distribution from the light source was modeled and placed at the end of the probe. This resulted in a collection efficiency of 3.5% and 1.7% for the air and tissue interfaces, respectively. The maximum collection efficiency of 8.6% results from fully utilizing the throughput, however, by using optical fibers, only 53% of the spectroscopic slit area is used. Therefore, the maximum expected collection efficiency is 4.6%, indicating that the ball lens is operating near the peak. By multiplying the efficiency curve by the same 53% caused by the reduced throughput, it can be seen that the efficiency of the ball lens exhibits a collection radius of 0.27 mm corresponding to a collection angle of 45 °. Although there is room for improvement, this is excellent collection efficiency and ease of implementation is very practical.
ラマンプローブの性能を3方法で実験的に試験した。第一に、多様な既知のラマン散乱体を検査してフィルター性能を評価した。第二に、組織ファントムを開発してシグナルおよびバックグラウンド収集に対する散乱および吸収の影響を評価した。最後に、動脈および乳房組織のin vitroスペクトルを分光学的モデルで収集かつ評価した。 The performance of the Raman probe was experimentally tested in three ways. First, a variety of known Raman scatterers were examined to evaluate filter performance. Second, a tissue phantom was developed to assess the effects of scattering and absorption on signal and background collection. Finally, in vitro spectra of arterial and breast tissue were collected and evaluated with spectroscopic models.
これらの検討で使用した実験系の図解を図43に示す。830nmのダイオードレーザー(Process Instruments、ユタ州ソルトレークシティ)からの光を2個の円筒形レンズ(c1、c2)により平行にし、帯域通過フィルター(BP、Kaiser)を通して方向付けし(directed)、金被覆鏡(M)により再方向付けし、そして10倍顕微鏡対物レンズ(Newport、カリフォルニア州アーヴィン)によりラマンプローブ励起ファイバーに集中させた。ラマンプローブからの収集ファイバー近位の一列の直線は、光がノッチフィルタリングされ(NF)、スリット上に集中されかつホログラフィックゲート(HG)による分散のため再度平行にされる前にそれを平行にするf/1.8分光器に入力される。最後に、分散された光を、ラップトップコンピュータとインターフェースされている液体窒素冷却した裏面照射型の深空乏型CCD検出器に集中させる。スリット(S)はデータ取得中のプローブからのレーザーの励起を可能にする。これは患者へのレーザー曝露を低下させかつ使用者に対する安全性を増大させる。さらに、レーザーは、レーザー出力のより正確な制御、レーザー出力のモニタリング、および系の光学系アライメントに依存しない設定レベルにプローブからの出力を自動的に設定するフィードバックループの組み込みのために、コンピュータとインターフェースされる。 An illustration of the experimental system used in these studies is shown in FIG. Light from an 830 nm diode laser (Process Instruments, Salt Lake City, Utah) is collimated by two cylindrical lenses (c1, c2), directed through a bandpass filter (BP, Kaiser) and gold coated It was redirected by a mirror (M) and focused on a Raman probe excitation fiber by a 10 × microscope objective (Newport, Irvine, Calif.). A line in the line proximal to the collection fiber from the Raman probe parallelizes the light before it is notch filtered (NF), concentrated on the slit and re-parallelized for dispersion by the holographic gate (HG). To the f / 1.8 spectrometer. Finally, the dispersed light is focused on a liquid nitrogen cooled back-illuminated deep depletion CCD detector interfaced with a laptop computer. The slit (S) allows laser excitation from the probe during data acquisition. This reduces laser exposure to the patient and increases user safety. In addition, the laser is connected to a computer for more precise control of the laser power, monitoring of the laser power, and the incorporation of a feedback loop that automatically sets the power from the probe to a set level that is independent of the system's optical alignment. Interfaced.
組織ファントム研究は、人工組織の散乱および吸収特性の範囲を模倣するよう設計した。サンプルは、散乱のための単分散1.03μmラテックスミクロスフェア(Duke Scientific Corp.、カリフォルニア州パロアルト)、吸収のためのヘモグロビン(Sigma、ミズーリ州セントルイス)およびインディアインク(Triangle Biochemical Sciences、ノースカロライナ州ダーラム)ならびに脱イオン水の組合せを使用して調製した。NaClO4のストック溶液を標的ラマン分子として一定濃度でサンプルに添加した。構成要素の多様な組合せを混合して、一定容量ならびにそれぞれ1.31、1.79および2.25cm−1、ならびに22、29および36cm−1の吸収および低下された散乱係数をもつClO4 −濃度の9個のファントムを製造した。これらの光学特性を生じさせるための濃度はBohrenとHuffmanのMie基準の改変版を用いて決定した。 The tissue phantom study was designed to mimic the range of artificial tissue scattering and absorption properties. Samples were monodisperse 1.03 μm latex microspheres for scattering (Duke Scientific Corp., Palo Alto, Calif.), Hemoglobin for absorption (Sigma, St. Louis, Mo.), and India Ink (Triangle Biochemical Sciences, Durham, NC). As well as a combination of deionized water. A stock solution of NaClO 4 was added to the sample as a target Raman molecule at a constant concentration. By mixing various combinations of components, ClO with absorption and decrease scatter coefficients of constant volume and the respective 1.31,1.79 and 2.25 cm -1, and 22, 29 and 36cm -1 4 - Nine phantoms of concentration were produced. Concentrations to produce these optical properties were determined using a modified version of Bohren and Huffman's Mie standard.
ファントムは2”深さ、3/4”幅のガラス製バイアルに入れ、そしてプローブ先端をサンプリング用液体の表面のすぐ下に浸積した。サンプルは磁気攪拌子により連続的に循環させてミクロスフェアの沈殿を予防した。二重リングラマンプローブを用いて100mWの励起を使用して、10秒の総積算時間の間、スペクトルを収集した。ClO4 −の928cm−1のバンドを積算してこれらの変動する条件下でのプローブのラマン収集能力を決定した。プローブのバックグラウンドは収集した最大シグナル(およそ420cm−1)の強度を検査することにより評価した。バックグラウンドの代替の評価方法は、クォーツのバックグラウンドからの800cm−1のラマンバンド若しくはサファイアボールレンズにより生じられる750cm−1のラマンバンドを積算する。これらの全部は類似の結果を生じた。 The phantom was placed in a 2 "deep, 3/4" wide glass vial and the probe tip was immersed just below the surface of the sampling liquid. The sample was continuously circulated with a magnetic stir bar to prevent microsphere precipitation. Spectra were collected for a total integration time of 10 seconds using 100 mW excitation with a dual ring Raman probe. The 928 cm −1 band of ClO 4 − was integrated to determine the probe's ability to collect Raman under these varying conditions. Probe background was assessed by examining the intensity of the maximum signal collected (approximately 420 cm −1 ). Evaluation of background alternative integrates the Raman band of 750 cm -1 which are caused by the Raman band or sapphire ball lens of 800 cm -1 from the background quartz. All of these produced similar results.
最後に、in vitro組織試料を、100mWの励起出力および1から60秒までの範囲にわたる収集時間を使用して単リングラマンプローブを用いて検査した。大動脈組織のサンプルは死後に収集した一方、乳房サンプルは外科的切除中に収集した。サンプルを収集直後に液体窒素中で急速凍結しそして検査の時間まで−85℃で保存した。サンプルは検査前にPBS浴中で受動的に室温に温まらせた。スペクトルはタングステン白色光源を使用してフィルターおよびCCDのスペクトル応答について補正した。残りのファイバーバックグラウンドは、粗くしたアルミニウム表面で励起光を向けることにより生成されたシグナルを減算することにより除去した。組織蛍光は5位の多項式を減算することにより除去した。最後に、実験室で開発した分光学的モデルにスペクトルを当てはめた。乳房のデータは下述されるモデルに当てはめた一方、動脈のスペクトルは形態学的モデルに当てはめた。残差はデータ−フィットとして計算し、そして同一スケールで示す。 Finally, in vitro tissue samples were examined with a single ring Raman probe using 100 mW excitation power and acquisition times ranging from 1 to 60 seconds. Aortic tissue samples were collected post mortem, while breast samples were collected during surgical resection. Samples were snap frozen in liquid nitrogen immediately after collection and stored at -85 ° C until the time of examination. Samples were passively warmed to room temperature in a PBS bath prior to testing. The spectrum was corrected for the spectral response of the filter and CCD using a tungsten white light source. The remaining fiber background was removed by subtracting the signal generated by directing excitation light on the roughened aluminum surface. Tissue fluorescence was removed by subtracting the fifth polynomial. Finally, the spectrum was applied to a spectroscopic model developed in the laboratory. Breast data was fitted to the model described below, while the arterial spectrum was fitted to the morphological model. Residuals are calculated as data-fit and are shown on the same scale.
生物学的組織の分光学については600から1800cm−1のラマンの特徴が重要である。図44は、充填されたBaSO4(十分に特徴付けられたラマン散乱体)のラマンスペクトルを示す。最小限の後方散乱が存在するために検出されるファイバーバックグラウンドを典型的にほとんど生成させない液体サンプルと異なり、BaSO4は充填される場合に高度に反射性であり、そしてフィルタリングされないプローブ中で強いファイバーバックグラウンドを生成させる。このスペクトルは、550cm−1より上ではわずかに増大した傾斜するバックグラウンド以外にファイバーバックグラウンドの検出可能な特徴がほとんど存在しないため、フィルターモジュールの有効性およびプローブの光学的隔離を示す。800cm−1の強いシリカのバンドさえ認識できない。 For biological tissue spectroscopy, the Raman characteristic of 600 to 1800 cm −1 is important. FIG. 44 shows the Raman spectrum of filled BaSO 4 (a well-characterized Raman scatterer). Unlike liquid samples, which typically produce little detected fiber background due to the presence of minimal backscatter, BaSO 4 is highly reflective when packed and strong in unfiltered probes Create a fiber background. This spectrum shows the effectiveness of the filter module and the optical isolation of the probe because there is little detectable feature of the fiber background other than a slightly increased tilting background above 550 cm −1 . Even a strong silica band of 800 cm −1 is not recognizable.
組織ファントム検査の結果を図45に提示する。過塩素酸(○および実線)ならびにプローブのバックグラウンド(□および破線)からのシグナルを輸送長の関数としてプロットする。プロットされた線は一定の吸収を描き、そして、散乱が増大する際にシグナル収集がどのように増大するかを示すように描かれる。逆に、収集されたシグナルは所定の散乱値についての増大する吸収を伴い減少する。類似の傾向がファイバーバックグラウンドおよびラマンシグナル双方でみられるが、しかしながら、散乱の影響はバックグラウンドについてより劇的である。 The results of the tissue phantom examination are presented in FIG. Signals from perchloric acid (circles and solid lines) and probe background (squares and dashed lines) are plotted as a function of transport length. The plotted line draws a constant absorption and is drawn to show how signal collection increases as scattering increases. Conversely, the collected signal decreases with increasing absorption for a given scatter value. Similar trends are seen for both fiber background and Raman signal, however, the effect of scattering is more dramatic for background.
図46Aおよび46Bは、正常大動脈(部位ごとの変動を非常にわずかしか示さない組織型)を見ることによる、単リングラマンプローブの性能と前述された実験系との間の比較である。該実験系は、微小光学系の要求により制約されない開放の光学系の構成であり、そして多くの有用なラマンスペクトルモデルを開発するために使用されてきた。 46A and 46B are a comparison between the performance of a single-ring Raman probe and the experimental system described above by looking at a normal aorta (a tissue type that shows very little variation from site to site). The experimental system is an open optical system configuration that is not constrained by the demands of micro-optical systems, and has been used to develop many useful Raman spectral models.
図46Aは、同等な励起出力および収集時間を伴う開放の光学系(点)および単リングラマンプローブ(線)で取ったデータを示す。該データは系のスペクトル応答およびCCD検出器のゲインについて補正されている。組織の蛍光バックグラウンド上のラマンバンドを分離することは困難であるとは言え、−CH2屈曲の1450cm−1のバンド若しくはフェニルアラニンによる1004cm−1のバンドの観察結果は、ラマンプローブからのわずかに増大したシグナル収集を示す。ラマンプローブ中の効率的なフィルタリングにもかかわらず、このデータで観察されるプローブのバックグラウンドのなお若干の証拠が存在する。BaSO4と異なり、組織からのラマンシグナルが極めて弱いためである。しかしながら、図46Bは、ファイバーバックグラウンドおよび組織の蛍光を減算した後の結果を示す。ファイバーバックグラウンドの全部のスペクトルの特徴が正確に除去されており、そして、正常大動脈のこれらのスペクトルは、サファイアボールレンズからのラマン散乱による750cm−1のピーク、およびレンズを固定するために使用したエポキシからの1600cm−1の直ぐ下の小さなピーク以外はほぼ同一に見える。ラマンプローブからの生データ中のわずかに増大したバックグラウンドにもかかわらず、平均して、2種の処理されたスペクトルはプローブの増大された収集効率のため同一のSNRを有する。二重リングバージョンのラマンプローブは、該実験系を上回る大きく高められた性能を示す。 FIG. 46A shows data taken with open optics (dots) and single ring Raman probe (lines) with equivalent excitation power and acquisition time. The data is corrected for the spectral response of the system and the gain of the CCD detector. Nevertheless it is difficult to separate the Raman bands on fluorescence background tissue, the band observations of 1004 cm -1 by a band or phenylalanine -CH 2 bending of 1450 cm -1 is slightly from the Raman probe Shows increased signal collection. Despite efficient filtering in the Raman probe, there is still some evidence of the probe background observed in this data. Unlike BaSO 4, Raman signal from the tissue is for very weak. However, FIG. 46B shows the result after subtracting the fiber background and tissue fluorescence. All spectral features of the fiber background have been accurately removed, and these spectra of normal aorta were used to fix the 750 cm −1 peak due to Raman scattering from the sapphire ball lens and the lens. It looks almost identical except for a small peak just below 1600 cm −1 from the epoxy. Despite the slightly increased background in the raw data from the Raman probe, on average, the two processed spectra have the same SNR due to the increased collection efficiency of the probe. The double ring version of the Raman probe shows greatly improved performance over the experimental system.
ここでは、弱くラマン散乱する正常大動脈が均質であるためにそれを評価した。より高度に散乱する組織での実験は、該プローブが正常組織についてよりも実験的すなわち実験室の系でなおより良好な性能を示すことを示唆する。しかしながらこれらの差異は組織の不均質性のため直接比較することが困難である。 Here, the normal aorta, which is weakly Raman scattered, is evaluated because it is homogeneous. Experiments with more highly scattered tissues suggest that the probe performs even better in experimental or laboratory systems than for normal tissues. However, these differences are difficult to compare directly due to tissue heterogeneity.
好ましい態様のラマンプローブは、臨床上適切な時間尺度で組織の解釈可能なスペクトルを収集する能力を提供する。図2A〜2Cおよび47A〜47Bは100mWの励起を用いてわずか1秒で該ラマンプローブで収集された処理済みスペクトルを示す。データは点で提示し、モデルのフィットを重なる線で示し、また、残差は同一スケールで下にプロットする。図47Aは正常乳房組織のスペクトルを示す一方、47Bは悪性乳癌のものを示す。低下されたシグナル収集を伴うスペクトル(すなわち正常大動脈および悪性乳癌)についてさえモデルのフィットは優れており、そして残差に残存する全部の特徴はノイズである。 A preferred embodiment of the Raman probe provides the ability to collect an interpretable spectrum of tissue on a clinically relevant time scale. 2A-2C and 47A-47B show the processed spectra collected with the Raman probe in just 1 second using 100 mW excitation. Data are presented as dots, model fits are shown as overlapping lines, and residuals are plotted down on the same scale. FIG. 47A shows the spectrum of normal breast tissue, while 47B shows that of malignant breast cancer. The model fit is excellent even for spectra with reduced signal collection (ie normal aorta and malignant breast cancer), and all features remaining in the residual are noise.
光ファイバープローブについて、シグナルを最大にすることは、本発明の好ましい一態様の分光器/CCD検出器系の制約内で収集効率を至適化することを伴う。これは、ラマン光の収集に利用可能なプローブの面積を最大にすること、および収集光学系の適正な設計のためにラマン光源を特徴付けすることによりなされる。ノイズの最小化は本発明の好ましい一態様によるいくつかの考慮もまた必要とする。第一に、CCD検出器からの固有のノイズ源は極低温に冷却した裏面照射型検出器を使用することにより低下される。第二に、励起波長は組織蛍光からのショットノイズを最小にするように慎重に選択した。生物学的サンプルについて、830nmの励起が理想的であることが判明している。最後に、光ファイバープローブの場合、その関連するショットノイズを低下させるために、ファイバーバックグラウンドを可能な限り排除する。 For fiber optic probes, maximizing the signal involves optimizing collection efficiency within the constraints of the spectrometer / CCD detector system of a preferred embodiment of the present invention. This is done by maximizing the area of the probe available for Raman light collection and characterizing the Raman light source for proper design of the collection optics. Noise minimization also requires some consideration in accordance with a preferred aspect of the present invention. First, the inherent noise source from the CCD detector is reduced by using a back-illuminated detector cooled to a very low temperature. Second, the excitation wavelength was carefully chosen to minimize shot noise from tissue fluorescence. For biological samples, excitation at 830 nm has been found to be ideal. Finally, in the case of fiber optic probes, fiber background is eliminated as much as possible to reduce its associated shot noise.
本発明の好ましい一態様のラマンプローブで使用される二目的フィルターモジュールは、残りのバックグラウンドが一旦除去されれば、最小のスペクトルの歪みが存在するレベルまでファイバーバックグラウンドを効果的に低下させる。数種の組織型の高品質スペクトルは、組織損傷閾値の十分に下の励起出力を使用してわずか1秒で収集し得る。図2A〜2Cおよび47A〜47Bに具体的に説明されるフィットからの残差の大きさは組織から収集されたラマンシグナルの強度に依存するが、しかし、大部分の場合はそれらは純粋にノイズであり、そしてスペクトルの構造を示さない。これに対する唯一の例外は非石灰化アテローム硬化性斑についてであり、その場合はデータとモデルとの間のスペクトル分解能の矛盾により残差に若干の小さな構造が存在する。 The dual-purpose filter module used in the preferred embodiment of the Raman probe of the present invention effectively reduces the fiber background to a level where there is minimal spectral distortion once the remaining background is removed. High quality spectra of several tissue types can be collected in as little as 1 second using an excitation power well below the tissue damage threshold. The magnitude of the residual from the fits specifically illustrated in FIGS. 2A-2C and 47A-47B depends on the intensity of the Raman signal collected from the tissue, but in most cases they are purely noise And does not show the structure of the spectrum. The only exception to this is for non-calcified atherosclerotic plaques, in which case there is some small structure in the residual due to spectral resolution discrepancies between the data and the model.
ファントム研究からの結果は、該プローブが励起およびラマン光双方の減弱による増大された吸収を伴い収集を減少させたことを示す。増大された散乱とともに、より大きなシグナル収集効率が観察される。高度に散乱するサンプルからのこの増大されたシグナルは、ボールレンズが最も効率的に収集する励起ビームにより近くに制限されているラマン光源の結果である。ファイバーのバックグラウンドについての類似の傾向もまた観察されているが、しかし散乱の影響はより強められている。従って、ラマン散乱体の濃度および断面が一定である場合は、多様な散乱および吸収特性をもつ組織についてわずかなSNR変化のみが見られる。加えて、とりわけサファイアボールレンズからのバックグラウンドシグナルのさらなる解析は、サンプルの散乱および吸収特性についての内的較正をもたらして疾患の診断についての付加的情報を生じさせるかもしれない。 Results from phantom studies indicate that the probe decreased collection with increased absorption due to attenuation of both excitation and Raman light. Greater signal collection efficiency is observed with increased scattering. This increased signal from the highly scattered sample is the result of a Raman light source that is limited closer to the excitation beam that the ball lens collects most efficiently. Similar trends in the fiber background have also been observed, but the effect of scattering has been strengthened. Thus, if the concentration and cross section of the Raman scatterer is constant, only a slight SNR change is seen for tissues with various scattering and absorption characteristics. In addition, further analysis of the background signal, especially from sapphire ball lenses, may provide an internal calibration for the scattering and absorption properties of the sample, giving additional information about the diagnosis of the disease.
本発明の好ましい一態様の単一リングプローブはプローブ直径を低下し得る。より小さい直径は、プローブ中のファイバーの数が低下されてそれにより収集面積を低下させなければならないことを意味する。しかしながら、ファイバーの数が減少される際に、それらはまた、最強の散乱が起こる励起ビームにより近づけられる。また、ボールレンズの直径の減少はより大きなレンズの湾曲をもたらし、それはラマン光源のより中央の領域からの増大された収集につながる。従って、ラマンプローブの収集面積とラマン光源のサンプリング体積との間のトレードオフに関する付加的な効率曲線が存在する。最悪でも該収集効率はファイバーの数とともに直線的に低下するかもしれない。合計9本の収集ファイバーに減少させることは、臨床業務に合理的なSNRを生じさせる1.5mmの総外径および1.2%の収集効率のラマンプローブをもたらす。 The single ring probe of a preferred embodiment of the present invention can reduce the probe diameter. A smaller diameter means that the number of fibers in the probe must be reduced, thereby reducing the collection area. However, as the number of fibers is reduced, they are also brought closer to the excitation beam where the strongest scattering occurs. Also, the reduction in ball lens diameter results in a larger lens curvature, which leads to increased collection from a more central area of the Raman light source. Thus, there is an additional efficiency curve for the trade-off between the Raman probe collection area and the Raman light source sampling volume. At worst, the collection efficiency may decrease linearly with the number of fibers. Reduction to a total of 9 collection fibers results in a 1.5 mm total outer diameter and 1.2% collection efficiency Raman probe that produces a reasonable SNR for clinical practice.
本発明の好ましい一態様のラマンプローブは一般的応用性を有しかつ動脈および乳房双方について十分に能力を発揮する。該設計のモジュールの性質は、標的組織からの所望の空間的および角度分布を収集するのに多様な光学素子を使用し得るようにハイスループット収集のための光学系の特定の選択に関して大きな柔軟性を可能にする。 A preferred embodiment of the Raman probe of the present invention has general applicability and performs well for both arteries and breasts. The modular nature of the design provides great flexibility with respect to the particular choice of optics for high-throughput collection so that a variety of optical elements can be used to collect the desired spatial and angular distribution from the target tissue. Enable.
側方観察プローブは本発明の好ましい一態様の代替の応用に使用し得る。例えば、角度を付けられかつ鏡を付けられたハーフボールレンズ、プリズム、若しくは微小光学的放物線状鏡の使用が効率的な放射状収集を可能にする。テーパー付き先端は光学的乳房生検のためのニードルプローブへの組み込みを可能にし、また、わずかにより小さい直径は異形成の検出のための乳管内視鏡検査による乳房分析を可能にする。本発明の好ましい一態様のラマンプローブの収集能力により、他の潜在的用途は、皮膚分析、経皮血液被検体モニタリングおよび胃腸癌の評価を包含する。 Lateral observation probes may be used in alternative applications of a preferred embodiment of the present invention. For example, the use of angled and mirrored half-ball lenses, prisms, or micro-optical parabolic mirrors allows for efficient radial collection. The tapered tip allows for incorporation into a needle probe for optical breast biopsy, and the slightly smaller diameter allows breast analysis by ductoscopy for detection of dysplasia. Due to the collection capability of the Raman probe of one preferred aspect of the present invention, other potential uses include skin analysis, transcutaneous blood analyte monitoring and gastrointestinal cancer assessment.
図48Aおよび48Bは、本発明の好ましい一態様の3mm未満の総直径を有する臨床的プローブを具体的に説明する。 48A and 48B illustrate a clinical probe having a total diameter of less than 3 mm according to one preferred embodiment of the present invention.
本発明の好ましい態様は臨床データの収集に使用されている。レーザー出力較正はテフロンを用いて設定され、かつ、およそ100mWであり、そして82〜132mWの間の範囲にわたる。血管内視鏡と同様に手術室中を消灯した。末梢血管手術中にデータを収集した。頸動脈の動脈内膜切除術中に粥腫のスペクトルを収集した。大腿動脈バイパス手術中に吻合部位および後動脈壁のスペクトルを収集した。 A preferred embodiment of the present invention is used for collecting clinical data. Laser power calibration is set using Teflon and is approximately 100 mW and ranges between 82-132 mW. The operating room was turned off as in the case of the blood vessel endoscope. Data was collected during peripheral vascular surgery. A spectrum of atheroma was collected during endarterectomy of the carotid artery. During femoral artery bypass surgery, spectra of the anastomosis site and posterior artery wall were collected.
図49Aおよび49Bは、本発明の好ましい一態様の正常動脈の内膜線維増殖の臨床データを具体的に説明し、ここで図49Aは取得したラマンスペクトルでありかつ図49Bは対応する組織学を具体的に説明する。スペクトルは動脈壁に対して直交に保持されているプローブで合計5秒間収集した。それぞれ0.25秒の20の蓄積が存在した。1秒および5秒双方のデータを解析した。全データは1秒間積算した。 FIGS. 49A and 49B illustrate clinical data of normal artery intimal fiber proliferation according to one preferred embodiment of the present invention, where FIG. 49A is the acquired Raman spectrum and FIG. 49B shows the corresponding histology. This will be specifically described. The spectra were collected for a total of 5 seconds with a probe held orthogonal to the artery wall. There were 20 accumulations of 0.25 seconds each. Both 1 second and 5 second data were analyzed. All data was accumulated for 1 second.
図50A〜50Cは、本発明の好ましい一態様の粥腫斑の臨床データを具体的に説明し、ここで図50Aはラマンスペクトルを、また、図50Bおよび50Cは対応する組織学の動脈を具体的に説明する。収集した全臨床データに、正常動脈に関してと同一のデータ解析方法を適用した。図51Aおよび51Bは、本発明の好ましい一態様の石灰化斑について取得した臨床データを具体的に説明し、ここで図51Aはラマンスペクトルを、また、図51Bは対応する組織学を具体的に説明する。図52A〜52Cは、本発明の好ましい一態様の破裂した斑について取得した臨床データを具体的に説明し、ここで図52Aはラマンスペクトルを、また、図52Bおよび52Cは対応する組織学を具体的に説明する。図53A〜53Cは、本発明の好ましい一態様の血栓を伴う石灰化斑について取得した臨床データを具体的に説明し、ここで図53Aはラマンスペクトルを、また、図53Bおよび53Cは対応する組織学を具体的に説明する。 FIGS. 50A-50C illustrate clinical data of atheroma plaques of a preferred embodiment of the present invention, where FIG. 50A illustrates the Raman spectrum and FIGS. 50B and 50C illustrate the corresponding histological artery. I will explain it. The same data analysis method was applied to all clinical data collected as for normal arteries. 51A and 51B illustrate clinical data acquired for a preferred embodiment of the calcified plaque of the present invention, where FIG. 51A illustrates the Raman spectrum and FIG. 51B illustrates the corresponding histology. explain. 52A-52C illustrate the clinical data acquired for a ruptured plaque of one preferred embodiment of the invention, where FIG. 52A illustrates the Raman spectrum and FIGS. 52B and 52C illustrate the corresponding histology. I will explain it. 53A-53C illustrate the clinical data acquired for calcified plaques with thrombus according to one preferred embodiment of the present invention, where FIG. 53A shows the Raman spectrum and FIGS. 53B and 53C show the corresponding tissues. Explain the study specifically.
表3は多様な動脈状態を表す臨床データの解析の結果であったモデル成分を具体的に説明する。 Table 3 specifically explains the model components that were the results of analysis of clinical data representing various arterial conditions.
図54は、本発明の好ましい一態様の単一の中央励起ファイバー1902を包含する側方観察ラマンプローブ1900を具体的に説明する。該ファイバーの緩衝層は適正なファイバー/フィルターのレジストレーションを助長するように励起フィルターロッド1916の直径に整合され、かつ、収集ファイバー1908からの光学的隔離を提供するためのアルミニウム製ジャケット1910を有する。該側方観察プローブの構成は図4A〜4Dに関して記述された前方観察プローブに類似である。プローブ1900は送達および収集ファイバー中のファイバーのラマンバックグラウンドを最小にしかつ好ましくは除外するための誘電体フィルターを包含し、また、収集誘電体コーティングを運搬するチューブ1912に嵌合されたロッド1916を包含する。該モジュールは、ハーフボールレンズ1918を有する光線を平行にするためファイバー束とレンズ系との間にプローブの遠位端に配置される。該プローブの直径はおよそ1.5mmであり、そしてそれの周囲に配置された鞘を有する。 FIG. 54 illustrates a side-viewing Raman probe 1900 that includes a single central excitation fiber 1902 according to a preferred embodiment of the present invention. The fiber buffer layer is matched to the diameter of the excitation filter rod 1916 to facilitate proper fiber / filter registration and has an aluminum jacket 1910 to provide optical isolation from the collection fiber 1908. . The configuration of the side observation probe is similar to the forward observation probe described with respect to FIGS. Probe 1900 includes a dielectric filter to minimize and preferably eliminate the Raman background of the fiber in the delivery and collection fiber, and also includes a rod 1916 fitted to a tube 1912 carrying the collection dielectric coating. Include. The module is placed at the distal end of the probe between the fiber bundle and the lens system to collimate the light beam having the half ball lens 1918. The probe diameter is approximately 1.5 mm and has a sheath disposed around it.
図55A〜55Cは本発明の好ましい一態様のシグナル収集に対する血液の影響を具体的に説明する。 55A-55C illustrate the effect of blood on signal collection according to a preferred embodiment of the present invention.
図55Aは本発明の好ましい一態様のラマンプローブを有する系を使用して収集した生データを具体的に説明する。 FIG. 55A illustrates raw data collected using a system having a Raman probe according to one preferred embodiment of the present invention.
図55Bは蛍光が一旦除去されたスペクトルを具体的に説明する一方、図55Cはデータが一旦正規化かつ処理されたスペクトルを具体的に説明する。石灰化動脈を血液で灌流してシグナル収集に対する血液の影響を確かめた。血液スペクトルは動脈スペクトルの10%未満であり、また、血液の存在による吸収および散乱は動脈シグナルをおよそ1/3だけ減少させる。 FIG. 55B specifically illustrates the spectrum once the fluorescence has been removed, while FIG. 55C specifically illustrates the spectrum once the data has been normalized and processed. Perfused calcified arteries with blood to determine the effect of blood on signal collection. The blood spectrum is less than 10% of the arterial spectrum, and absorption and scattering due to the presence of blood reduces the arterial signal by approximately 1/3.
図56は、本発明の好ましい一態様の臨床実務で使用し得る系の図解を具体的に説明する。示される態様は、シャッター2002により切り替えられかつ内視鏡2008の生検チャンネルに挿入されたラマンプローブ2006中にレンズ2004で集中されるレーザー出力2001を使用して、それが領域2012にわたって組織を照明し得るように組織部位2010にそれを送達する。収集光学系2231は、プローブから分光器/CCDの組合せであるプロセッサ2236へのラマンシグナルの戻りを提供する。ラマンシグナルおよび内視鏡カメラは系2236中で個別に操作される。 FIG. 56 illustrates an illustration of a system that can be used in clinical practice of a preferred embodiment of the present invention. The embodiment shown uses a laser output 2001 that is focused by a lens 2004 in a Raman probe 2006 that is switched by a shutter 2002 and inserted into a biopsy channel of an endoscope 2008, which illuminates tissue over a region 2012. Deliver it to the tissue site 2010 as is possible. Acquisition optics 2231 provides a return of the Raman signal from the probe to the processor 2236, which is the spectrograph / CCD combination. The Raman signal and endoscopic camera are operated individually in system 2236.
内視鏡カメラ2220は、広帯域キセノンアークランプ2224からそれ自身の光ファイバー照明器2222によりその白色光照明を得る。コンピュータ2230の制御2232下の非標準的シャッター2228を取り付け得る。画像シグナル2234はプロセッサ2236により処理されて標準的ビデオシグナル2238(コンピュータ2230中のフレームグラバによりディジタル化される)を生じ得る。観察された組織の状態に関するその情報を伴う処理された画像シグナル2240がモニター2242に送信される。診断手順全体は、ケーブル2246によりコンピュータに接続されたフットスイッチ2244により開始し得る。 Endoscopic camera 2220 obtains its white light illumination from broadband xenon arc lamp 2224 with its own fiber optic illuminator 2222. A non-standard shutter 2228 under control 2232 of computer 2230 may be attached. Image signal 2234 may be processed by processor 2236 to produce a standard video signal 2238 (digitized by a frame grabber in computer 2230). A processed image signal 2240 with that information regarding the condition of the observed tissue is transmitted to the monitor 2242. The entire diagnostic procedure can be initiated by a foot switch 2244 connected to the computer by cable 2246.
図57は、本発明の好ましい一態様のin vivoラマンスペクトル診断のためのデータの取得において使用される方法2300の流れを具体的に説明する。上ループ2301は無菌手術室中の適正な励起レーザー出力を確実にするために使用する。臨床処置の前に較正スペクトルを取得してシステム性能を特徴付ける。テフロン標準のスペクトルを得て、所望の励起出力をもつ期待されるシグナルを決定する。処置の間に、このフィードバックアルゴリズム内で滅菌済ラマンプローブを用いて同一の滅菌済テフロンブロックのスペクトルを測定する。段階2312によるレーザー出力に対する自動化補正を、標的のテフロン強度が得られるまで、若しくは予め決められた閾値出力に達するまで継続する。正しい出力が一旦設定されれば、組織スペクトルの取得が可能にされる。レーザーはデータ蓄積が開始されるまでシャッターにより遮断される。取得の開始は段階2316によりシャッターを開放し、段階2318によりスペクトルを収集し、そして段階2320によりシャッターを閉鎖する。その後、収集されたデータは、スペクトル診断と一緒にリアルタイムで処理かつ表示される。その後システムは次の組織部位を検査する準備ができる。データ取得および処理の詳細は下に提示する。 FIG. 57 illustrates the flow of method 2300 used in acquiring data for in vivo Raman spectrum diagnosis of one preferred aspect of the present invention. Upper loop 2301 is used to ensure proper excitation laser power in a sterile operating room. A calibration spectrum is acquired prior to clinical treatment to characterize system performance. A spectrum of a Teflon standard is obtained to determine the expected signal with the desired excitation power. During the procedure, the spectrum of the same sterile Teflon block is measured using a sterile Raman probe in this feedback algorithm. The automated correction for the laser power in step 2312 continues until the target Teflon intensity is obtained or until a predetermined threshold power is reached. Once the correct output is set, tissue spectra can be acquired. The laser is shut off by the shutter until data accumulation is started. The start of acquisition opens the shutter by step 2316, collects the spectrum by step 2318, and closes the shutter by step 2320. The collected data is then processed and displayed in real time along with spectral diagnostics. The system is then ready to examine the next tissue site. Details of data acquisition and processing are presented below.
図58は、本発明の好ましい一態様のリアルタイム解析ラマン系で使用されるデータの流れを描く。レーザー、シャッターおよびCCD検出器の制御は全部、限定されるものでないがLabViewを挙げることができるソフトウェアを用いて達成される。検出器制御のためのドライバはR3−software,Inc.により提供されるようなソフトウェアに書かれている。いかなるフィルタリングされないプローブバックグラウンドも、アルミニウム製ブロックにより反射される励起レーザー光を収集することにより特徴付けする。系のスペクトル応答は、反射率標準(BaSO4)により拡散的に散乱される較正済白色光源のスペクトルを収集することにより特徴付けする。4−アセトアミドフェノール(タイレノール(Tylenol))のスペクトルをラマンシフト較正のため取得する。 FIG. 58 depicts the data flow used in the real-time analysis Raman system of a preferred embodiment of the present invention. Control of the laser, shutter, and CCD detector are all accomplished using software that can include, but is not limited to, LabView. Drivers for detector control are described in R 3 -software, Inc. Written in software as provided by. Any unfiltered probe background is characterized by collecting the excitation laser light reflected by the aluminum block. The spectral response of the system is characterized by collecting the spectrum of a calibrated white light source that is diffusely scattered by the reflectance standard (BaSO 4 ). The spectrum of 4-acetamidophenol (Tylenol) is acquired for Raman shift calibration.
生の組織スペクトルおよびアルミニウムスペクトルは、双方とも正規化白色光スペクトルでの除算により系のスペクトル応答について補正する。その後、残りのプローブのバックグラウンドを、アルミニウムスペクトルを減算することにより組織データから除去する。組織蛍光は、5位の多項式フィット、または例えば限定されるものでないがフーリエフィルタリング、点差分導関数、スプライン当てはめ、Savitsky−Golayの導関数若しくは重み付け減算を挙げることができるいくつかの他の手段を介して除去する。 Both the raw tissue spectrum and the aluminum spectrum are corrected for the spectral response of the system by dividing by the normalized white light spectrum. The remaining probe background is then removed from the tissue data by subtracting the aluminum spectrum. Tissue fluorescence includes a fifth-order polynomial fit, or some other means that can include, for example, but not limited to, Fourier filtering, point difference derivatives, spline fitting, Savitsky-Golay derivatives or weighted subtraction. To remove.
組織の特徴付けは、確立されたラマンスペクトルモデルを用いるデータの通常の最小二乗法当てはめにより実施する。結果として生じるフィット係数を使用して、ロジスティック回帰分析で発生させたin vitro診断アルゴリズムに基づく診断を提供する。その後、処理済みデータ、モデルフィットおよび残差(データフィット)を、診断およびフィット係数と一緒にリアルタイムでプロットする。臨床医はリアルタイムデータを使用して診断および処置の決定を行い得る。 Tissue characterization is performed by ordinary least squares fitting of data using established Raman spectral models. The resulting fit factor is used to provide a diagnosis based on an in vitro diagnostic algorithm generated by logistic regression analysis. The processed data, model fit and residuals (data fit) are then plotted in real time along with diagnostics and fit coefficients. Clinicians can use real-time data to make diagnosis and treatment decisions.
1999年には、米国単独でおよそ176,000の乳癌の新規症例が診断され、44,000例が死亡をもたらした。過去20年間に、乳癌をin situで診断するための光学的技術の使用における増大する興味が存在している。 In 1999, approximately 176,000 new cases of breast cancer were diagnosed in the United States alone, resulting in 44,000 deaths. There has been an increasing interest in the use of optical techniques to diagnose breast cancer in situ in the last 20 years.
x線マンモグラフィーおよび超音波のような現在の方法論は乳房中の密度変化を探す。これらの技術は良性および悪性腫瘍を確実に区別し得ず、そして従って疑わしい病変を検出するためにのみ使用し得かつ診断に使用し得ない。病変が悪性であるかどうかを決定するためには組織生検を実施しなくてはならず、そして乳房生検の70〜90%は病理学的分析に際して良性であることが見出される。しかしながら、病理学的分析のために組織を取り出す代わりに、疑わしい病変についての診断情報をin situで提供するためにラマン分光法のような光学的技術を使用することが可能である。上述されたところのラマン分光法は、単色励起光で照明されたサンプルから散乱される光により生成されるスペクトル側波帯を検査する。存在する各化学物質はそれ自身の独特なラマンスペクトルシグネチャを有する。乳房に光ファイバー針装置を挿入することにより、病変からラマン分光学的測定値を収集しかつ化学的情報をほとんど即時に抽出することが可能である。ラマン針装置を使用してこうした情報を得ることは、より客観的かつ迅速な(リアルタイムの)診断および現在使用されている生検技術に比較して患者に対する減少した外傷をもたらす。 Current methodologies such as x-ray mammography and ultrasound look for density changes in the breast. These techniques cannot reliably distinguish between benign and malignant tumors and can therefore only be used to detect suspicious lesions and cannot be used for diagnosis. A tissue biopsy must be performed to determine if the lesion is malignant, and 70-90% of breast biopsies are found to be benign upon pathological analysis. However, instead of removing the tissue for pathological analysis, optical techniques such as Raman spectroscopy can be used to provide diagnostic information about the suspected lesion in situ. Raman spectroscopy as described above examines spectral sidebands generated by light scattered from a sample illuminated with monochromatic excitation light. Each chemical that is present has its own unique Raman spectral signature. By inserting a fiber optic needle device into the breast, it is possible to collect Raman spectroscopic measurements from the lesion and extract chemical information almost immediately. Obtaining such information using a Raman needle device results in a more objective and rapid (real-time) diagnosis and reduced trauma to the patient compared to currently used biopsy techniques.
ラマン分光法に加えて、いくつかの他の光学的技術が現在探究されている。これらは光学的断層撮影法、光ファイバー乳管内視鏡検査および蛍光分光法を包含する。光学的断層撮影法は可視若しくは近赤外光を使用して乳房の表面上の一点を照明する一方、検出器は他の点での拡散的に反射若しくは伝播された光を記録する。それが乳房を横断する際に光シグナルの減弱に関する情報を提供することに加え、散乱および吸収の情報はまた抽出もされて水、脂質およびオキシ/デオキシヘモグロビン濃度を定量的に測定し得る。良性および悪性腫瘍を区別するためのこの情報の使用は研究中である。さらに、多数の光源および検出器を使用して測定カップを形成し得、三次元画像化を可能にする。 In addition to Raman spectroscopy, several other optical techniques are currently being explored. These include optical tomography, fiber optic ductoscopy and fluorescence spectroscopy. Optical tomography uses visible or near infrared light to illuminate a point on the surface of the breast, while the detector records light that is diffusely reflected or propagated at other points. In addition to providing information regarding the attenuation of the light signal as it traverses the breast, scatter and absorption information can also be extracted to quantitatively measure water, lipid and oxy / deoxyhemoglobin concentrations. The use of this information to distinguish between benign and malignant tumors is under study. In addition, a number of light sources and detectors can be used to form a measuring cup, allowing for three-dimensional imaging.
光ファイバー乳管内視鏡検査は、結腸、子宮頸部および食道のような器官中の癌を検出するために開発された内視鏡を乳管の検査に改造している。大部分の乳房の癌および前癌は乳管および小葉の内層で開始するため、非常に小型のファイバースコープ(直径1mm未満)を乳頭を通して乳管に導入して管内の異常(主として乳頭状病変)を探す。光ファイバーを介して乳管の内部を照明しかつ見る。該装置を使用して乳管およびその分枝を観察し得る。 Fiber optic ductoscopy is an adaptation of an endoscope developed to detect cancer in organs such as the colon, cervix, and esophagus to the examination of the ducts. Because most breast and precancerous cancers begin in the inner lining of the ducts and lobules, very small fiberscopes (less than 1 mm in diameter) are introduced into the ducts through the nipple (mainly papillary lesions). Search for. Illuminate and view the inside of the milk duct through an optical fiber. The apparatus can be used to observe the breast duct and its branches.
蛍光分光法は、食道、結腸、膀胱および口腔中の癌性病変をin vivoで検査するのに成功裏に使用されてきた。乳房の蛍光分光法もまたex vivoで研究されており、診断に対する若干の有望性を示しているとは言え、これまでのところ、これらの結果の後ろにある化学の理解がほとんど存在しない。蛍光に基づく診断は、癌と結びつけられる乳房組織中に存在する内在性の蛍光発色団(主としてコラーゲンおよびNADH)の数により制限される。対照的に、癌の発生と関連付けられている組織中に存在する多くのよりラマン活性の分子、例えばコラーゲン、フィブリノーゲン、DNA、ハイドロキシアパタイトカルシウムおよび多様なグリコサミノグリカンが存在する。 Fluorescence spectroscopy has been successfully used to examine cancerous lesions in the esophagus, colon, bladder and oral cavity in vivo. Breast fluorescence spectroscopy has also been studied ex vivo and, while showing some promise for diagnosis, so far there is little understanding of the chemistry behind these results. Fluorescence based diagnosis is limited by the number of endogenous fluorescent chromophores (primarily collagen and NADH) present in breast tissue associated with cancer. In contrast, there are many more Raman-active molecules present in tissues associated with cancer development, such as collagen, fibrinogen, DNA, hydroxyapatite calcium and a variety of glycosaminoglycans.
ラマン分光法は長年化学分析に使用されてきたが、しかし最近になってのみ研究者たちにそれを生物医学的問題に応用し始めさせた。臨床の情況でラマンスペクトルを取得する能力は、小型ダイオードレーザー、CCD検出器およびホログラフィックノッチフィルターのような新技術の開発により可能とされた。これらの構成部品のそれぞれが、以前は達成不可能な医学的診断のための小型の高効率の系の二次加工に貢献している。 Raman spectroscopy has been used for chemical analysis for many years, but only recently has researchers begun to apply it to biomedical problems. The ability to acquire Raman spectra in clinical situations has been made possible by the development of new technologies such as small diode lasers, CCD detectors and holographic notch filters. Each of these components contributes to the secondary processing of small, high-efficiency systems for medical diagnostics previously unachievable.
正常、良性(線維嚢胞性疾患)および悪性(浸潤型乳管癌)乳房組織からラマンスペクトルを収集するのに784nmの励起を使用して、正常組織中の1439cm−1のバンドの1450cm−1へのシフトが悪性組織中で観察された(CH2屈曲モードの化学環境中での変化による)。1654(C=C伸長およびアミドIのバンドの組合せによる)ならびに1439cm−1のバンドの面積比を使用することにより悪性組織と正常組織を区別することが可能である。この差異は悪性サンプル中の増大したタンパク質濃度に帰することができる。しかしながらこの検査は良性病変を悪性病変と区別するのに使用し得ない。 Normal, benign using an excitation of 784nm to gather the Raman spectrum from (fibrocystic disease) and malignant (infiltrating ductal carcinoma) breast tissue, the 1450 cm -1 band 1439cm -1 in normal tissues shift was observed in malignant tissues (due to changes in the chemical environment of the CH 2 bending mode). By using an area ratio of 1654 (by a combination of C = C extension and amide I band) and a band of 1439 cm −1 it is possible to distinguish between malignant and normal tissue. This difference can be attributed to increased protein concentration in the malignant sample. However, this test cannot be used to distinguish benign lesions from malignant lesions.
従来技術の検査はホルマリン中に固定された摘出生検試料を使用した。固定過程は主としてコラーゲンタンパク質を架橋して組織を化学的に変え、そして従って組織のラマンスペクトルのシグネチャに影響を及ぼす。ラマン分光法を使用して、凍結されかつ固定されていない組織を使用して組織をin vivoで診断し得る。830nmの励起を使用する正常、良性および悪性の乳房組織サンプル(およそ0.5cm3)のラマンスペクトルは以前に報告されている。このデータの主成分分析は、重要な分光学的特徴に基づく正常、良性および悪性組織の区別を可能にした。しかしながら、主成分分析はこれらの分光学的シグネチャの化学的若しくは形態学的起源の同定を可能にせず、また、その時点でのデータ組がクロスバリデーションには少なすぎた(13例の患者からの61サンプル)。 Prior art tests used excised biopsy samples fixed in formalin. The fixation process mainly crosslinks the collagen proteins to chemically alter the tissue and thus affects the Raman spectrum signature of the tissue. Using Raman spectroscopy, tissue can be diagnosed in vivo using frozen and unfixed tissue. Raman spectra of normal, benign and malignant breast tissue samples (approximately 0.5 cm 3 ) using 830 nm excitation have been previously reported. Principal component analysis of this data allowed discrimination between normal, benign and malignant tissues based on important spectroscopic features. However, principal component analysis did not allow identification of the chemical or morphological origin of these spectroscopic signatures, and the data sets at that time were too few for cross-validation (from 13 patients). 61 samples).
光ファイバーラマンニードルプローブを使用する乳房組織の臨床測定は、典型的には体積1mm3の組織領域をサンプリングする。乳房中の癌関連の変化は組織の生化学的および形態学的組成のわずかな変化を伴う。これらの変化は微視的レベルで起こる。結果として、組織の微視的状態への洞察を提供する診断アルゴリズムを開発するために、個々の形態学的成分のラマンスペクトルの特徴を特徴付けることが重要である。その場合、巨視的スペクトルを記述するための構成要素としてこれらの微視的スペクトルの特徴を使用するモデルを、微視的レベルで該組織の組成についての情報を抽出するのに使用し得る。ラマンスペクトルへの特定の寄与因子を同定することにより、確固たる診断アルゴリズムを開発し得る。 Clinical measurement of breast tissue using a fiber optic Raman needle probe typically samples a tissue region with a volume of 1 mm 3 . Cancer-related changes in the breast are accompanied by slight changes in the biochemical and morphological composition of the tissue. These changes occur at the microscopic level. As a result, it is important to characterize the characteristics of the Raman spectra of individual morphological components in order to develop diagnostic algorithms that provide insight into the microscopic state of the tissue. In that case, a model that uses these microspectral features as components to describe the macroscopic spectrum may be used to extract information about the composition of the tissue at the microscopic level. By identifying specific contributors to the Raman spectrum, a robust diagnostic algorithm can be developed.
以前の態様において、ラマン分光法は、in vitroで大動脈および冠動脈組織中のアテローム硬化性病変の定量的生化学的解析に使用された。これらの研究において、組織のラマンスペクトルは動脈組織中に存在する主要生化学物質から収集したラマン基礎スペクトルの一次結合を使用してモデル化した。関連するアプローチは、代わりに、大動脈で普遍的に見出される個々の形態学的特徴のラマンスペクトルを基礎としてモデルを作成すること、およびモデル化のための基礎スペクトルとしてこれらを使用することであった。乳癌診断のための類似の形態学的モデルを、本発明の好ましい態様で使用する。 In previous embodiments, Raman spectroscopy was used for quantitative biochemical analysis of atherosclerotic lesions in aorta and coronary artery tissue in vitro. In these studies, tissue Raman spectra were modeled using a linear combination of Raman basis spectra collected from major biochemicals present in arterial tissue. A related approach was instead to create models based on the Raman spectra of individual morphological features found universally in the aorta, and to use these as the basis spectra for modeling . Similar morphological models for breast cancer diagnosis are used in preferred embodiments of the invention.
ある形態学的特徴を表すためにどの化学物質を使用すべきかの決定が非常に困難である可能性があるため、形態学的に派生する基礎スペクトルを主に使用する。例えば、細胞若しくは組織中で見出されるもののような複雑な混合物中の全ての化学物質を同定することは可能でないかもしれない。より重要なことは、コラーゲンのような同定し得る成分が多くの異なる形態でヒト組織中に存在しうることであり、それぞれのものがわずかに異なるラマンスペクトルをもつ。乳房組織中で見出されるコラーゲンは、実際、数種の異なる型のコラーゲンの組合せであるが、しかし、それぞれの型のコラーゲンが個別にモデルに包含される場合、これは過適合(over−fitting)につながり得る。単一の、形態学的に派生するコラーゲンスペクトルを使用することにより、正常若しくは疾患に罹った組織内のその微小環境中のその化学物質成分の像を得る。最後に、実験室で精製される若しくは商業的供給元からもたらされる化学物質はそれらの天然の状態にない。例えば、コラーゲンのようなタンパク質は腐食性の酸若しくは他の有機溶媒中にさらされていたかもしれない。これらの問題の全部は、乳房組織それ自身から得られるラマンスペクトルを使用することにより回避される。しかしながら、必要な場合は、合成された若しくは商業的に入手可能な化学物質を使用し得る。 Because it can be very difficult to determine which chemicals should be used to represent certain morphological features, the fundamental spectrum derived from morphological features is mainly used. For example, it may not be possible to identify all chemicals in complex mixtures such as those found in cells or tissues. More importantly, identifiable components such as collagen can be present in human tissue in many different forms, each having a slightly different Raman spectrum. The collagen found in breast tissue is actually a combination of several different types of collagen, but if each type of collagen is individually included in the model, this is over-fitting. Can lead to By using a single, morphologically derived collagen spectrum, an image of the chemical component in its microenvironment in normal or diseased tissue is obtained. Finally, chemicals that are purified in the laboratory or that come from commercial sources are not in their natural state. For example, proteins such as collagen may have been exposed to corrosive acids or other organic solvents. All of these problems are avoided by using the Raman spectrum obtained from the breast tissue itself. However, if necessary, synthetic or commercially available chemicals can be used.
ヒト乳房組織の形態学的モデルが、本発明の好ましい一態様のラマン共焦点微小画像化系を使用して開発される。このモデルは、正常および疾患に罹ったの双方の乳房組織の巨視的サンプル中で観察される分光学的特徴の全部を特徴付け得る。それはそれらの独特のラマンスペクトルにより乳房組織中に存在する形態学的成分を同定し、そして巨視的サンプルの形態学的特徴を記述するためにそれらを構成要素として使用する。 A morphological model of human breast tissue is developed using the Raman confocal microimaging system of a preferred embodiment of the present invention. This model can characterize all of the spectroscopic features observed in macroscopic samples of both normal and diseased breast tissue. It identifies the morphological components present in breast tissue by their unique Raman spectra and uses them as components to describe the morphological features of the macroscopic sample.
乳房組織のサンプルは外科的生検試料から得た。サンプルを液体窒素中で急速凍結し、そして分光学的検査まで−85℃で保存した。その後、サンプルをヒストプレップ(Histoprep)(Fisher Diagnostics、米国ニューヨーク州オレンジバーグ)を使用してクライオスタットチャック上にマウントし、そしてマイクロトーム(International Equipment、米国マサチューセッツ州ニーダムハイツ)を使用して6〜8μm厚の切片にスライスした。その後、それらの小さいラマンバックグラウンドシグナルにより選択されるMgF2フラット(Moose Hill Enterprises、米国バージニア州スペリービル)上にこれらの切片をマウントし、そしてリン酸緩衝生理的食塩水(pH7.4)で湿らせたまま保った。 Breast tissue samples were obtained from surgical biopsy specimens. Samples were snap frozen in liquid nitrogen and stored at -85 ° C until spectroscopic examination. Samples were then mounted on a cryostat chuck using Histoprep (Fisher Diagnostics, Orangeburg, NY, USA) and 6-8 μm using a microtome (International Equipment, Needham Heights, Mass., USA). Sliced into thick sections. These sections were then mounted on MgF 2 flats (Moose Hill Enterprises, Sperryville, VA, USA) selected by their small Raman background signal, and with phosphate buffered saline (pH 7.4) Kept moist.
共焦点ラマン顕微鏡検査を使用して生じたラマンスペクトル画像を未染色組織切片から収集し、そして、同一切片ならびに連続的ヘマトキシリンおよびエオシン染色切片の位相差画像と相互に関連付けた。画像を比較のため重ねた。可能な場合は、各形態学的要素の例を多様な患者および疾患状態から同定した。その後、それらの形態学的起源(すなわちコラーゲン線維若しくは上皮細胞のような)および組織サンプルの疾患分類に従ってスペクトルを分類した。例えば、最初に、正常および悪性サンプルからの細胞外のマトリックスのスペクトルを分離したまま保った。各形態学的要素のスペクトルのライブラリーが一旦取得されれば(通常5〜6例の患者からの60〜80個のスペクトル)、それらをそれらの変動の程度について解析した。形態学的要素のスペクトルが大きく若しくは一貫して変動しなかった場合は、該スペクトルを平均し、モデルで使用される形態学的に派生した基礎スペクトルを創製した。細胞成分について真実であったように、一貫した差異が観察された場合は、独立に変動する寄与因子の数を同定し、そして独立した基礎スペクトルを抽出するのに使用した。単一スペクトルが、その形態学的範疇の他のスペクトルと比較した場合に付加的なラマンバンドを有した場合は、それらのスペクトルをその範疇から除去しかつ独立に解析して、該付加的なスペクトルの特徴がモデル中の他の要素により説明し得ることを確実にした。スペクトルの特徴がモデルの他の要素により説明され得なかった場合は、新たな基礎スペクトルをモデルに追加し、そして類似のスペクトルシグネチャについてラマン微小画像のデータベースを検索した。この新たなスペクトルを含有する全部の微小画像の位相差画像および連続染色切片を再評価した。この方法論は新たな形態学的特徴が同定されることを可能にした。 Raman spectral images generated using confocal Raman microscopy were collected from unstained tissue sections and correlated with phase contrast images of identical sections and serial hematoxylin and eosin stained sections. Images were overlaid for comparison. Where possible, examples of each morphological element were identified from various patients and disease states. The spectra were then classified according to their morphological origin (ie, collagen fibers or epithelial cells) and the disease classification of the tissue sample. For example, initially, the extracellular matrix spectra from normal and malignant samples were kept separate. Once a library of spectra for each morphological element was acquired (usually 60-80 spectra from 5-6 patients), they were analyzed for their degree of variation. If the spectrum of morphological elements was large or did not vary consistently, the spectra were averaged to create a morphologically derived base spectrum used in the model. When consistent differences were observed, as was true for cellular components, the number of independently varying contributors was identified and used to extract independent baseline spectra. If a single spectrum had additional Raman bands when compared to other spectra in its morphological category, those spectra were removed from that category and analyzed independently to determine the additional spectrum. It was ensured that the spectral features could be explained by other elements in the model. If the spectral features could not be explained by other elements of the model, a new base spectrum was added to the model and a database of Raman microimages was searched for similar spectral signatures. All micro-image phase contrast images and serially stained sections containing this new spectrum were re-evaluated. This methodology allowed new morphological features to be identified.
ラマンスペクトルはまた、巨視的乳房組織サンプルおよび実験室で合成されたか若しくは商業的供給源から得られたかのいずれかの多様な化学物質からも収集した。ラマンスペクトルは、モデル開発および画像解析での使用のため以下の商業的に入手可能な化学物質(Sigma、米国ミズーリ州セントルイス)、すなわちアクチン(ニワトリ砂嚢)、β−カロチン、ハイドロキシアパタイトカルシウム、コレステロール、コレステロールリノレエート、コラーゲン(ウシアキレス腱、I型)、デオキシリボ核酸(仔ウシ胸腺)、リボ核酸(仔ウシ肝)、ホスファチジルコリンおよびトリオレイン、ならびにまた実験室で合成したシュウ酸カルシウムから得た。 Raman spectra were also collected from macroscopic breast tissue samples and a variety of chemicals, either synthesized in the laboratory or obtained from commercial sources. The Raman spectrum is the following commercially available chemicals for use in model development and image analysis (Sigma, St. Louis, Mo.): actin (chicken gizzard), β-carotene, hydroxyapatite calcium, cholesterol, Obtained from cholesterol linoleate, collagen (Usiachiles tendon, type I), deoxyribonucleic acid (calf thymus), ribonucleic acid (calf liver), phosphatidylcholine and triolein, and also calcium oxalate synthesized in the laboratory.
実験装備の図解を図22に示す。同一の系を巨視的組織サンプルおよび微小画像化の双方に使用した。アルゴンイオンレーザーポンピングTi:サファイアレーザー(Coherent Innova 90/Spectra−Physics 3900S、Coherent、米国カリフォルニア州サンタクララ)により提供されるラマン励起光(830nm)は、帯域通過フィルター(Kaiser Optical Systems、米国ミネソタ州アナーバー)を横断し、そして2個の鏡を使用してのラマン微小画像化のためのプリズムを介する巨視的組織サンプルのためのアルミニウム製ホルダー若しくは上照明顕微鏡(Zeiss Axioskop 50、Zeiss、米国ニューヨーク州ソーンウッド:軸方向分解能およそ1μm)のいずれか中に発射した。顕微鏡対物レンズは、励起を集中かつラマン散乱光を後方散乱の形状で収集の双方を行った。ダイクロイックビームスプリッタおよび鏡の組合せが可変性直径の共焦点ピンホールを通して顕微鏡からのラマン散乱光を再方向付けして軸方向分解能を増大させた。巨視的アセンブリを使用した場合はカメラレンズがラマン散乱光を収集した。巨視的組織サンプル上の光のスポットの直径はおよそ1mmであり、また、サンプリングした組織体積は典型的に1mm3であった。双方の構成について、光はホログラフィックノッチフィルター(Kaiser Optical Systems)を通過させ、そしてその後、液体窒素冷却CCD検出器(Princeton Instruments、米国ニュージャージー州プリンストン)に接続した0.25mのf/4画像化分光器(モデル250IS/SM分光器モノクロメータ、Chromex、米国ニューメキシコ州アルバカーキ)に集中させた。最小の共焦点開口部直径(およそ100μm)で、該顕微鏡系の空間分解能はおよそ2μm3であった。 An illustration of the experimental equipment is shown in FIG. The same system was used for both macroscopic tissue samples and microimaging. Raman excitation light (830 nm) provided by an argon ion laser pumped Ti: sapphire laser (Coherent Innova 90 / Spectra-Physics 3900S, Coherent, Santa Clara, Calif., USA) is a bandpass filter (Kaiser Optical Systems, Ann Arbor, Minn., USA) ) And an aluminum holder for macroscopic tissue samples via a prism for Raman micro-imaging using two mirrors or a top illumination microscope (Zeiss Axioskop 50, Zeiss, Thorn, NY, USA) (Wood: axial resolution approximately 1 μm). The microscope objective lens concentrated both excitation and collected Raman scattered light in the form of backscatter. A combination of dichroic beam splitter and mirror redirects Raman scattered light from the microscope through a variable diameter confocal pinhole to increase axial resolution. When a macroscopic assembly was used, the camera lens collected Raman scattered light. The diameter of the light spot on the macroscopic tissue sample was approximately 1 mm, and the sampled tissue volume was typically 1 mm 3. For both configurations, the light was passed through a holographic notch filter (Kaiser Optical Systems) and then connected to a liquid nitrogen cooled CCD detector (Princeton Instruments, Princeton, NJ) at 0.25m f / 4 imaging. Focused on a spectrometer (Model 250IS / SM spectrometer monochromator, Chromex, Albuquerque, New Mexico, USA). With the smallest confocal aperture diameter (approximately 100 μm), the spatial resolution of the microscope system was approximately 2 μm 3 .
分光器それ自身は調節可能なスリットおよび測定の範囲について3個の回折格子(Chromex)を保持したタレットを有した。ラマン検査のため、1mmあたり1μmで刻みを入れた(blazed)600溝の回折格子を140μmの分光器入口スリット設定と一緒に使用しておよそ8cm−1の分解能を提供した。大部分の生物学的サンプルは10cm−1より狭いラマン帯域幅を表さなかったため、分光器の入口スリットの140μmの幅を一般に使用して、最大にされた光学的スループットを提供した(ときに、巨視的測定のために70μmの入口スリットを使用した)。 The spectrometer itself had an adjustable slit and a turret holding three diffraction gratings (Chromex) for the measurement range. For Raman examination, a 600 groove grating, blazed at 1 μm per mm, was used with a spectrometer inlet slit setting of 140 μm to provide a resolution of approximately 8 cm −1 . Since most biological samples did not exhibit a Raman bandwidth narrower than 10 cm −1 , the 140 μm width of the spectrometer entrance slit was generally used to provide maximized optical throughput (sometimes 70 μm entrance slit was used for macroscopic measurements).
顕微鏡の上のCCDカメラ(Sony、米国マサチューセッツ州ケンブリッジ)は、白色光徹照画像との集中されたレーザースポットのレジストレーションおよびビデオテープへの画像の録画を見込んだ。顕微鏡それ自身は、ノーマルおよび位相差双方のある範囲の対物レンズを装備した。典型的には、ラマン検査には63倍無限補正液浸対物レンズ(Zeiss Achroplan、開口数0.9)を使用した。検出器および顕微鏡双方のトランスレーションステージはコンピュータにより制御した。完全なラマンスペクトルを各組織位置で収集し、そしてその後、顕微鏡対物レンズ下でのラスター走査パターンでトランスレーション状態(Prior Scientific Instruments、米国マサチューセッツ州ケンブリッジ)を移動させることにより組織のスペクトルの微小画像を創製した。この方法は典型的には50×50μm2の画像を生じさせ、その各画素が400から1850cm−1までのラマンスペクトル全体を含有した。xおよびy双方の方向のステップサイズは典型的に2μmであり、共焦点顕微鏡の空間分解能と一致した。スペクトルは通常、50と100mWとの間の出力で各画素位置で20秒間収集し、これゆえに画像全体ではおよそ3.5時間を必要とした。一滴のリン酸緩衝生理的食塩水が、データ収集中、組織切片を湿ったまま保った。組織に対する光化学的損傷を試験するための検査もまた実施した。220mWで、蛍光シグナルの強度は増大する曝露時間(数分にわたる)とともに減少することが観察された一方、ラマンシグナルは影響を受けないまま留まった。この出力でフォトブリーチングが発生したが、しかしラマンスグナルに対するその影響は無視できた。このフォトブリーチング効果はより低い励起出力で観察されなかった。結果として、分光学的データの収集中のフォトブリーチングの影響を低下せるために、出力を20〜30秒の曝露の間、100mWより下に保った。 A CCD camera on the microscope (Sony, Cambridge, Mass., USA) anticipated registration of a focused laser spot with a white light transillumination image and recording of the image on videotape. The microscope itself was equipped with a range of objective lenses with both normal and phase differences. Typically, a 63x infinite correction immersion objective lens (Zeiss Acroplan, numerical aperture 0.9) was used for Raman inspection. Both the detector and microscope translation stages were controlled by a computer. A complete Raman spectrum is collected at each tissue location and then a microscopic image of the tissue spectrum is moved by moving the translational state (Primer Scientific Instruments, Cambridge, Mass., USA) with a raster scan pattern under the microscope objective. Created. This method typically produced a 50 × 50 μm 2 image, each pixel containing the entire Raman spectrum from 400 to 1850 cm −1 . The step size in both x and y directions is typically 2 μm, consistent with the spatial resolution of the confocal microscope. The spectrum was typically collected for 20 seconds at each pixel location with an output between 50 and 100 mW, thus requiring approximately 3.5 hours for the entire image. A drop of phosphate buffered saline kept the tissue sections moist during data collection. A test was also performed to test for photochemical damage to the tissue. At 220 mW, the intensity of the fluorescent signal was observed to decrease with increasing exposure time (over several minutes), while the Raman signal remained unaffected. Photobleaching occurred at this output, but its influence on the Raman signal was negligible. This photobleaching effect was not observed at lower excitation power. As a result, the power was kept below 100 mW during 20-30 seconds exposure to reduce the effects of photobleaching during the collection of spectroscopic data.
取得したラマンスペクトルを、日ごとのデータの再現性を確実にするための処理にかけた。最初に、それらは、タングステン光源を使用して系のスペクトル応答について補正した。その後、トルエンの既知のラマン線を使用してデータを周波数較正した。その後MgF2バックグラウンドスペクトルを減算し、そして、スペクトルの5位の多項式(波数の)への当てはめ、およびその後この多項式のスペクトルからの減算により、幅広いゆっくりと変動する蛍光バックグラウンドを除去した。また、必要な場合は微分フィルターを使用して宇宙線からの寄与を除去した。 The acquired Raman spectrum was subjected to processing to ensure the reproducibility of the daily data. First, they corrected for the spectral response of the system using a tungsten light source. The data was then frequency calibrated using the known Raman line of toluene. The MgF 2 background spectrum was then subtracted, and a broad and slowly varying fluorescence background was removed by fitting the spectrum to a fifth-order polynomial (in wavenumber) and then subtracting this polynomial from the spectrum. In addition, if necessary, a differential filter was used to remove contributions from cosmic rays.
微小画像化若しくは巨視的組織分光学的データを、MATLABの正項最小二乗法当てはめアルゴリズム若しくは命令のシーケンス(MathWorks、米国マサチューセッツ州ナティック)を使用して、モデル基礎スペクトルに同時に当てはめた。独立変動成分の数の推定値には主成分分析を使用した(MATLAB)。最小二乗法当てはめ技術若しくは主成分分析のいずれかを使用するために、各ラマンスペクトルを各波長に対応する強度値のベクトルとして表した。 Microimaging or macroscopic histological spectroscopic data was simultaneously applied to the model base spectrum using MATLAB's positive least squares fitting algorithm or sequence of instructions (MathWorks, Natick, Mass., USA). Principal component analysis was used for the estimate of the number of independent variable components (MATLAB). In order to use either the least squares fitting technique or principal component analysis, each Raman spectrum was represented as a vector of intensity values corresponding to each wavelength.
線形モデルを使用する場合の別の重要な論点は基礎スペクトルの直交性であった。要素の直交性の程度は、等式 Another important issue when using a linear model is the orthogonality of the fundamental spectrum. The degree of orthogonality of elements is the equation
[式中xおよびyは各波長でのラマン強度として配置される2種の形態学的成分の基礎スペクトルを表す(xTはxの転置行列である)]
を使用して検定した。ゼロの値は該ベクトルが直交であることを示し、また、1の値はそれらが同一であることを意味する。
[Wherein x and y represent fundamental spectra of two morphological components arranged as Raman intensities at each wavelength (x T is a transpose matrix of x)]
Was used to test. A value of zero indicates that the vectors are orthogonal, and a value of 1 means they are identical.
形態学的モデルでの誤差のレベルは、使用されているスペクトルのS/N比により決定される。モデル基礎スペクトルがノイズの限界内で同一でない(すなわちそれらはノイズにより「変えられた」同一のスペクトルより直交性である)ことを条件とすれば、通常の最小二乗法を使用してそれらを分離し得る。基礎スペクトルは必要なだけ長時間収集した多くのデータ点の平均であるため、それらは事実上ノイズがない。従って、モデル中の誤差の制限する起源は、当てはめられているデータ中のノイズによる。特定の基礎スペクトルのフィットの寄与率の誤差は、当てはめられているスペクトル中のノイズに比例する:
E=NB (11)
式中B=PT(PPT)−1は形態学的基礎スペクトルPの較正ベクトルであり、また、Nはサンプル中のノイズである。
The level of error in the morphological model is determined by the S / N ratio of the spectrum being used. If the model base spectra are not identical within the noise limits (ie they are more orthogonal than the same spectrum "changed" by noise), they are separated using the normal least squares method Can do. Since the fundamental spectrum is the average of many data points collected as long as necessary, they are virtually noise free. Thus, the limiting source of error in the model is due to noise in the fitted data. The error in the contribution contribution of a particular fundamental spectrum is proportional to the noise in the fitted spectrum:
E = NB (11)
Where B = P T (PP T ) −1 is the calibration vector of the morphological basis spectrum P and N is the noise in the sample.
ここで総論された乳房組織中に比較的大きな豊富さで存在する形態学的および化学的成分についての情報を抽出するのにラマン分光法を使用した。乳房は2種の型の組織すなわち腺および間質を含有する。腺要素は小葉および管よりなる。小葉は上皮細胞の密集した集団であり、乳を産生かつ管の系に分泌し、管は乳を乳頭に輸送する。管は一層の筋上皮細胞により囲まれた上皮細胞の一内層よりなる。双方の層は主としてコラーゲンから作成される基底膜により囲まれる。間質要素はこれらの腺単位に支持的網状構造を提供し、そして細胞外マトリックス、線維芽細胞、脂肪および血管を包含する。乳房の腺要素はほとんど細胞性である一方、間質中には少数の細胞のみ存在する。これらの細胞の大部分は、細胞外マトリックス(構造タンパク質および炭水化物の支持的網状構造、主としてコラーゲンおよびグリコサミノグリカン)の産生を司る線維芽細胞である。脂肪は存在する唯一の他の主要な形態学的構造であり、そして正常乳房組織の嵩を構成する。ときに、β−カロチン(ビタミンAへの親油性前駆体)の結晶性沈着物もまた存在する。 Raman spectroscopy was used to extract information about the morphological and chemical components present in relatively large abundance in the breast tissue reviewed here. The breast contains two types of tissue: glands and stroma. The gland element consists of leaflets and ducts. The leaflets are a dense population of epithelial cells that produce milk and secrete it into the ductal system, which transports milk to the teat. The tube consists of an inner layer of epithelial cells surrounded by a layer of myoepithelial cells. Both layers are surrounded by a basement membrane made primarily from collagen. Stromal elements provide a supportive network for these gland units and include the extracellular matrix, fibroblasts, fat and blood vessels. While the glandular element of the breast is almost cellular, there are only a few cells in the stroma. The majority of these cells are fibroblasts that are responsible for the production of the extracellular matrix (supporting network of structural proteins and carbohydrates, mainly collagen and glycosaminoglycans). Fat is the only other major morphological structure present and constitutes the bulk of normal breast tissue. Sometimes there is also a crystalline deposit of β-carotene (a lipophilic precursor to vitamin A).
良性および悪性の乳房病変中の形態学的構造の多くは正常乳房組織中のものと類似である。例えば、線維症は良性および悪性双方の乳房病変中で発生しかつ間質の増殖を伴う。線維組織は、細胞外マトリックスの大部分と同様に組成が主としてコラーゲンであり、フィブリノーゲンおよびフィブロネクチンのようなタンパク質の存在の増大を伴う。 Many of the morphological structures in benign and malignant breast lesions are similar to those in normal breast tissue. For example, fibrosis occurs in both benign and malignant breast lesions and is accompanied by stromal proliferation. Fibrous tissue, like most of the extracellular matrix, is primarily collagen in composition, with an increased presence of proteins such as fibrinogen and fibronectin.
しかしながら、疾患に罹った乳房の形態学的特徴のいくつかは正常乳房組織中のものと異なる。例えば、乳癌は最も普遍的には、核の拡大、多態性(大きさおよび形状の変動)ならびに過染色性(より濃く染色する)、異型性の有糸分裂ならびにDNAの異数性(染色体の増加若しくは喪失)を伴う上皮細胞の急速な増殖として小葉および管で発する。これらの形態学的変化は新たな化学物質の大スケールの産生と関連しないが、しかしむしろ、乳房中に既に存在する化学物質の相対濃度の変化と関連する。例えば、上の形態学的変化は核対細胞質比(病理学者により使用される悪性の質的指標)の変化を伴う。 However, some of the morphological characteristics of diseased breasts differ from those in normal breast tissue. For example, breast cancer is most commonly used for nuclear enlargement, polymorphism (variation in size and shape) and hyperstaining (stains more intensely), atypical mitosis, and DNA aneuploidy (chromosome). Emanating in the leaflets and ducts as rapid proliferation of epithelial cells with increased or lost). These morphological changes are not associated with large-scale production of new chemicals, but rather are associated with changes in the relative concentrations of chemicals already present in the breast. For example, the above morphological changes are accompanied by changes in the nuclear to cytoplasm ratio (a malignant qualitative indicator used by pathologists).
乳癌で観察され得る2種の付加的な形態学的特徴は石灰化および壊死である。石灰化は、それらが放射密度が高く、マンモグラフィーで検出し得、そしてしばしば癌とともに見られるため、重要である。乳房X線像上で類似の形態学的特徴を有する2種の主要な型が存在する。I型石灰化はシュウ酸カルシウム二水和物結晶である一方、II型石灰化は主としてハイドロキシアパタイトカルシウムであるがしかし他のリン酸カルシウムおよびおそらくまた炭酸カルシウムも含有する。シュウ酸カルシウム結晶は悪性病変中よりも良性でよりしばしば見出され、そして細胞の分泌の産物であると考えられている一方、ハイドロキシアパタイトカルシウム沈着物は良性および悪性双方の病変中で見出され、そして細胞の分解若しくは壊死(死亡)の結果であると考えられている。 Two additional morphological features that can be observed in breast cancer are calcification and necrosis. Calcification is important because they are high in radiation density, can be detected by mammography, and are often found with cancer. There are two main types with similar morphological features on mammograms. Type I calcification is calcium oxalate dihydrate crystals, while type II calcification is primarily hydroxyapatite calcium, but also contains other calcium phosphates and possibly also calcium carbonate. Calcium oxalate crystals are found benign and more often than in malignant lesions, and are thought to be products of cellular secretion, while hydroxyapatite calcium deposits are found in both benign and malignant lesions , And is believed to be the result of cell degradation or necrosis (death).
乳房の化学および構造ならびに疾患の進行により誘導される変化のこの基礎的な知識で、正常および疾患に罹った乳房組織の主要なラマンスペクトルの特徴の全部を説明することが可能である。 With this basic knowledge of breast chemistry and structure and changes induced by disease progression, it is possible to explain all of the major Raman spectral features of normal and diseased breast tissue.
正常、良性および悪性の乳房組織のサンプルから60以上のラマン画像を収集した。正常乳管のラマン画像を図59A〜59Bに示す。コラーゲン、細胞質および細胞核の微小画像をこれらの基礎スペクトルとの画像中の各データ点の通常の最小二乗法当てはめにより生じさせる。連続染色切片を比較のため示す。ラマン画像で観察された構造が組織構造と良好に相関することが明らかである。 More than 60 Raman images were collected from normal, benign and malignant breast tissue samples. A Raman image of normal breast ducts is shown in FIGS. Microimages of collagen, cytoplasm, and cell nuclei are generated by normal least squares fitting of each data point in the image with these base spectra. Serially stained sections are shown for comparison. It is clear that the structure observed in the Raman image correlates well with the tissue structure.
微小画像化データから、9種の重要な基礎スペクトルすなわち細胞質、細胞核、コラーゲン、脂肪、コレステロール様、β−カロチン、ハイドロキシアパタイトカルシウム、シュウ酸カルシウム二水和物および水を同定した。細胞膜のようないくつかの特徴はラマン画像化を使用して同定したが、しかし、それらが大量で存在せずかつ小さなラマン断面を有し、そして従って巨視的組織スペクトルに有意に寄与しないため、モデルには包含しなかった。他者はモデル中で既に要素と同一の化学的組成を事実上有することが見出され、そして従って、基底膜(細胞外マトリックスと同様ほとんどコラーゲン様から構成される)の場合に真実であったように別個の形態学的特徴として包含し得なかった。モデル成分スペクトルを決定するのに使用したスペクトルの数はその形態学的要素の豊富さおよびまたS/N比の論点にも依存した。例えば脂肪は極めて強いラマン断面を有する。結果として、清浄なスペクトルを生じさせるため各患者から脂肪スペクトルはほとんど必要としなかった。論考した細胞外マトリックスおよび細胞成分双方がS/N比を増大させるためにより多くのスペクトルを必要とした。乳房組織の完全なモデルに使用した基礎スペクトルを図60に示す。 From the microimaging data, nine important fundamental spectra were identified: cytoplasm, cell nucleus, collagen, fat, cholesterol-like, β-carotene, hydroxyapatite calcium, calcium oxalate dihydrate and water. Some features, such as cell membranes, have been identified using Raman imaging, but because they are not present in large quantities and have a small Raman cross-section, and therefore do not contribute significantly to the macroscopic tissue spectrum, Not included in the model. Others have already been found in the model to have virtually the same chemical composition as the element, and were therefore true in the case of the basement membrane (consisting mostly of collagen like the extracellular matrix) Could not be included as separate morphological features. The number of spectra used to determine the model component spectra also depended on the abundance of its morphological elements and also the issue of S / N ratio. For example, fat has a very strong Raman cross section. As a result, little fat spectrum was required from each patient to produce a clean spectrum. Both the extracellular matrix and cellular components discussed required more spectra to increase the S / N ratio. The fundamental spectrum used for the complete model of breast tissue is shown in FIG.
図61で、正常、線維嚢胞性および悪性の乳管から取った線維芽細胞および上皮細胞のスペクトルを比較する。統計学的解析は、細胞質および細胞核から発する2種の主要な独立に変動する成分が存在することを示した。DNAのスペクトル[図62A]は細胞核[図62B]のものに非常に類似であったとは言え、細胞核のスペクトルはRNAおよびヒストンに関する小さな特徴もまた含有した。同様に、アクチンのスペクトル[図62C]は、細胞質のスペクトル[図62D]への主寄与因子であった。細胞質のスペクトルは、細胞質中で見出される他の要素に関する小さな特徴もまた包含した。 FIG. 61 compares the spectra of fibroblasts and epithelial cells taken from normal, fibrocystic and malignant ducts. Statistical analysis showed that there are two main independently varying components emanating from the cytoplasm and cell nucleus. Although the spectrum of DNA [FIG. 62A] was very similar to that of the cell nucleus [FIG. 62B], the spectrum of the cell nucleus also contained minor features of RNA and histones. Similarly, the actin spectrum [FIG. 62C] was the main contributor to the cytoplasmic spectrum [FIG. 62D]. The cytoplasmic spectrum also included minor features related to other elements found in the cytoplasm.
細胞質および細胞核から純粋なスペクトルを収集する能力がラマン共焦点顕微鏡の収集体積により制限されたため、2種の基礎スペクトルを数学的に分離した。2成分を分離するために、ラマン画像化系を使用して8例の患者からの数百の細胞(全部の型)のスペクトルを収集した。最初に、スペクトルを、低核含量(ラマンシグナルを見ることにより決定した)を伴う細胞領域から取った1種および精製DNAからの1種の2種の基礎スペクトルに当てはめた。その後、核領域から取ったスペクトルに対応するとりわけ高いDNAフィット係数(DNAが豊富)をもつスペクトルを、細胞質中の領域から収集したDNAをほとんどないし全く含まない(DNAが乏しい)スペクトルから分離した。その後、DNAが豊富なスペクトルの平均をスケーリングしかつDNAが乏しいスペクトルの平均から減算して、DNA含量を伴わない新たな細胞質のみのスペクトルを生じさせた。その後、この新たな細胞質のみのスペクトルをDNAが豊富なスペクトルの平均から減算して全部の細胞質の特徴を除去し、核物質のみを表すスペクトルを残した。その後、元のデータ(DNAが豊富およびDNAが乏しいの双方)をこれらの2種の改変基礎スペクトルと当てはめた。精製DNAおよび低核含量のスペクトルよりむしろ2種の改変基礎スペクトルを使用して該手順を反復して、最終的な細胞質および細胞核のスペクトルを生じさせた。この反復処理を使用して、核(DNA、RNA、ヒストンおよびその他を含有する)をモデル化する精製DNAスペクトルの無能によるアーチファクトを最小にした。これら2種の基礎スペクトルを使用して、核対細胞質比のような細胞についての重要な診断情報を抽出し得る。 Since the ability to collect pure spectra from the cytoplasm and cell nucleus was limited by the collection volume of the Raman confocal microscope, the two fundamental spectra were mathematically separated. To separate the two components, a Raman imaging system was used to collect spectra of hundreds of cells (all types) from 8 patients. First, the spectra were fitted to two basic spectra, one taken from a cell region with a low nuclear content (determined by looking at the Raman signal) and one from purified DNA. Subsequently, the spectrum with a particularly high DNA fit factor (rich in DNA) corresponding to the spectrum taken from the nuclear region was separated from the spectrum with little or no DNA (poor DNA) collected from the region in the cytoplasm. The average of the DNA rich spectrum was then scaled and subtracted from the average of the DNA poor spectrum to give a new cytoplasmic spectrum without DNA content. This new cytoplasm-only spectrum was then subtracted from the average of the DNA-rich spectrum to remove all cytoplasmic features, leaving a spectrum representing only nuclear material. The original data (both DNA-rich and DNA-poor) were then fitted to these two modified baseline spectra. The procedure was repeated using two modified base spectra rather than purified DNA and a low nuclear content spectrum to give a final cytoplasmic and nuclear spectrum. This iterative process was used to minimize artifacts due to the inability of the purified DNA spectrum to model the nucleus (containing DNA, RNA, histones and others). These two fundamental spectra can be used to extract important diagnostic information about the cell, such as the nucleus to cytoplasm ratio.
細胞外マトリックスおよび基底膜双方は主としてコラーゲンで構成されている。フィブリノーゲンおよびフィブロネクチンのような他の構造タンパク質ならびにプロテオグリカンもまた存在するが、しかし、それらが全体的ラマンスペクトルに有意に寄与しなかったほど微小な量でかつ小さなラマン断面でである。図63は形態学的に派生したコラーゲン(ほとんどI型、しかし若干のIII、IVおよびV型もまた存在した)のスペクトルおよび精製コラーゲン(I型)のものを比較する。それらは非常に類似しているとは言え、いくつかの小さな差異を800と1200cm−1との間の領域で観察し得る。形態学的に派生したコラーゲンスペクトルは、7例の患者から、主に細胞外マトリックスの領域から取った215のスペクトルの平均であった。 Both the extracellular matrix and the basement membrane are mainly composed of collagen. Other structural proteins such as fibrinogen and fibronectin and proteoglycans also exist, but in such a small amount and small Raman cross section that they did not contribute significantly to the overall Raman spectrum. FIG. 63 compares the spectrum of morphologically derived collagen (mostly type I, but some III, IV and V were also present) and that of purified collagen (type I). Although they are very similar, some small differences can be observed in the region between 800 and 1200 cm −1 . The morphologically derived collagen spectrum was an average of 215 spectra taken from 7 patients, mainly from the area of the extracellular matrix.
脂肪は正常乳房組織のラマンスペクトルに対する最強の寄与因子の1つである。それは大量で存在しかつ強いラマン断面を有する。ヒト中でのその貯蔵は主にトリグリセリド、とりわけトリオレインの形態をとる。図64は、乳房組織から取得した脂肪のラマンスペクトルをトリオレインのものと比較し、期待されたとおり、トリオレインがスペクトルに対する主寄与因子であったことが示された。モデルに包含されかつ図64に示された脂肪のスペクトルは、5例の患者からのデータを使用して収集した28のスペクトルの平均であった。 Fat is one of the strongest contributing factors to the Raman spectrum of normal breast tissue. It exists in large quantities and has a strong Raman cross section. Its storage in humans mainly takes the form of triglycerides, especially triolein. FIG. 64 compares the Raman spectrum of fat obtained from breast tissue with that of triolein and showed that triolein was the main contributor to the spectrum, as expected. The fat spectrum included in the model and shown in FIG. 64 was an average of 28 spectra collected using data from 5 patients.
悪性の乳管の管腔若しくは悪性腫瘍の中心内の壊死は具体的には細胞分解の生成物である。結果として、その組成は単一乳管内でさえ位置ごとに大きく変動した。3例の患者からのラマンスペクトルの解析は、壊死性物質が細胞性物質(細胞質および細胞核双方)に加えて脂肪、コラーゲン、石灰化(ハイドロキシアパタイトカルシウム)、遊離コレステロールおよびコレステロールエステル(リノレエート)を含有したことを示した。これらの要素の比は大きく変動し得るため、モデルに包含されるスペクトル(「コレステロール様」)は、単一患者から収集したモデル中の別の場所で表されないこれらのスペクトルの共通要素(主としてコレステロール成分)を表す。化学的モデル化は、「コレステロール様」スペクトルが、細胞性物質(細胞質および細胞核)ならびに脂肪からの小さな寄与を伴いコレステロールおよびコレステロールリノレエートからの大きな寄与を有することを告げる。図65はこれら5要素を使用したデータへの通常の最小二乗法当てはめを示す。個別に決定し得ない1以上の型のコレステロールエステルが存在するため、コレステロールおよびコレステロールリノレエートの純粋な化学的スペクトルは使用しなかった。コラーゲンについて真実であったとおり、1若しくは2種の純粋な成分を用いるよりも生物学的に派生した混合物を使用して組織をモデル化することが最良である。壊死性物質はコレステロールおよびコレステロールエステルを含有する乳房組織中の唯一の要素でなかった。細胞膜もまたこれらの化学物質の双方を含有するとは言え、それらはまたリン脂質のような他の化学物質も包含する。従って「コレステロール様」に基づくスペクトルは(ただ悪性試料だけでなく)全組織スペクトル中に少量で存在することが見出された。 Necrosis within the lumen of a malignant breast duct or the center of a malignant tumor is specifically a product of cell degradation. As a result, its composition varied greatly from position to position even within a single duct. Analysis of Raman spectra from three patients showed that necrotic material contained fat, collagen, calcification (hydroxyapatite calcium), free cholesterol and cholesterol ester (linoleate) in addition to cellular material (both cytoplasm and nucleus) It showed that. Because the ratio of these factors can vary widely, the spectrum encompassed by the model (“cholesterol-like”) is a common component of these spectra (primarily cholesterol) that is not represented elsewhere in the model collected from a single patient. Component). Chemical modeling tells us that the “cholesterol-like” spectrum has a large contribution from cholesterol and cholesterol linoleate with a small contribution from cellular material (cytoplasm and nucleus) and fat. FIG. 65 shows a normal least squares fit to the data using these five elements. Pure chemical spectra of cholesterol and cholesterol linoleate were not used because there are one or more types of cholesterol esters that cannot be determined individually. As was true for collagen, it is best to model the tissue using a biologically derived mixture rather than using one or two pure components. Necrotic material was not the only element in breast tissue containing cholesterol and cholesterol esters. Although the cell membrane also contains both of these chemicals, they also include other chemicals such as phospholipids. It was therefore found that spectra based on “cholesterol-like” are present in small amounts in the whole tissue spectrum (not just malignant samples).
ハイドロキシアパタイトカルシウムおよびシュウ酸カルシウム二水和物双方は非常に強いラマンスペクトルを有する[図66Aおよび66B]。しかしながら、それらは凍結乳房組織試料中で普遍的に見出されなかった。石灰化は医学的診断に重要でありかつ従って石灰化を含有する組織は一般に科学的研究のため放出されないためである。石灰化はたまの凍結試料中で見出されたとはいえ、それらはしばしば点状石灰化でありかつ研究することが困難であった。これらの理由から、石灰化がより大きくかつより多数であったホルマリン中に固定された乳房組織の6μm厚の脱パラフィン化切片から得たスペクトルを包含した。固定過程が組織タンパク質を変えたが、しかし石灰化の比較的不活性の鉱物沈着物には影響を及ぼさなかった。従って、脱パラフィン化切片を、ある範囲の患者および疾患状態からの、経験を積んだ病理学者によりわれわれのために同定されたより多数の石灰化を解析するのに使用することが可能であった。 Both hydroxyapatite calcium and calcium oxalate dihydrate have very strong Raman spectra [Figures 66A and 66B]. However, they were not universally found in frozen breast tissue samples. This is because calcification is important for medical diagnosis and therefore tissues containing calcification are generally not released for scientific research. Although calcifications were found in occasionally frozen samples, they were often punctate calcifications and difficult to study. For these reasons, spectra were obtained from 6 μm thick deparaffinized sections of breast tissue fixed in formalin where calcification was greater and greater. The fixation process changed tissue proteins, but did not affect the relatively inert mineral deposits of calcification. Thus, it was possible to use deparaffinized sections to analyze more calcifications identified for us by experienced pathologists from a range of patients and disease states.
ハイドロキシアパタイトカルシウムは、3例の患者から凍結切片で、および追加の11例の患者の脱パラフィン化組織切片から同定された。凍結および脱パラフィン化サンプルからのスペクトルは同一であった。使用したハイドロキシアパタイトカルシウムに基づくスペクトルはこれらのスペクトルの組合せから取得した。シュウ酸カルシウムは、その希少性により1個の脱パラフィン化組織切片で観察されたのみであった。乳房組織中でのその存在は十分報告されているとは言え、シュウ酸カルシウム二水和物は乳房組織中でハイドロキシアパタイトカルシウムより有意により少なく普遍的である。従って、シュウ酸カルシウム二水和物を本発明の好ましい一態様のモデルへの組み込みのため実験室で合成した。双方の石灰化スペクトルは以前に公表されたスペクトルと一致した。 Hydroxyapatite calcium was identified from frozen sections from 3 patients and from deparaffinized tissue sections from an additional 11 patients. The spectra from the frozen and deparaffinized samples were identical. Spectra based on the hydroxyapatite calcium used were obtained from the combination of these spectra. Calcium oxalate was only observed in one deparaffinized tissue section due to its rarity. Although its presence in breast tissue is well documented, calcium oxalate dihydrate is significantly less common than hydroxyapatite calcium in breast tissue. Accordingly, calcium oxalate dihydrate was synthesized in the laboratory for incorporation into a model of a preferred embodiment of the present invention. Both calcification spectra were in agreement with previously published spectra.
β−カロチンは830nmの放射で励起される場合に共鳴増強される。結果としてそれは極めて強いラマンシグナルを有する。そのピークは目立つとは言え、それはしばしば乳房全体で脂肪とともに見出される。形態学的に派生したβ−カロチンスペクトルから脂肪内容物を抽出する必要性を排除するために、商業的に入手可能なβ−カロチンから取得したスペクトル[図66C]を使用した。β−カロチンの形態学的に派生したラマンスペクトルを使用して、商業的に入手可能なサンプルが組織中で見出されるβ−カロチンの正確な表示であったことが確認された。 β-carotene is resonance enhanced when excited with 830 nm radiation. As a result it has a very strong Raman signal. Although the peak is conspicuous, it is often found with fat throughout the breast. To eliminate the need to extract fat content from the morphologically derived β-carotene spectrum, the spectrum obtained from commercially available β-carotene [FIG. 66C] was used. Using the morphologically derived Raman spectrum of β-carotene, it was confirmed that the commercially available sample was an accurate representation of β-carotene found in tissues.
水は弱いラマン散乱体であるとは言え、それは莫大な量によりスペクトルに寄与する。水はヒト組織のおよそ80重量%を構成し、また、組織を湿らせたまま保つのに使用されるリン酸緩衝生理的食塩水中に存在する。以前、動脈の研究で、水がヒト組織のラマンスペクトルに有意に寄与しなかったことが決定された。しかしながら、乳房組織のこれらの研究において、その包含はデータを適正に当てはめるために不可欠であることが見出された。水は1650cm−1に集中される単一の比較的幅広いラマンバンドを有する。水がモデルに包含されなかった場合、他の形態学的成分によるこのバンドの当てはめは不完全であった。 Although water is a weak Raman scatterer, it contributes to the spectrum by a huge amount. Water constitutes approximately 80% by weight of human tissue and is present in phosphate buffered saline used to keep the tissue moist. Previously, arterial studies determined that water did not contribute significantly to the Raman spectrum of human tissue. However, in these studies of breast tissue, inclusion was found to be essential to fit the data properly. Water has a single relatively broad Raman band concentrated at 1650 cm −1 . If water was not included in the model, the fitting of this band by other morphological components was incomplete.
成功裏の形態学的モデル化の重要な要件の1つは、所定の形態学的構造のラマンスペクトルで患者間の変動がほとんどないことであった。多くの患者からのいくつかのスペクトルを平均することによりモデルを開発することにより、該モデルが全部の形態学的特徴の共通要素を包含することを確実にし得る。細胞外マトリックスのスペクトルは同様であった。細胞外マトリックスのスペクトルは患者に関係なく主としてコラーゲンである。図67に、5例の患者からの細胞外マトリックスのスペクトルを示す。患者間の変動性は全部の形態学的特徴について同様である。観察された小さな差異は他の形態学的特徴の緊密な近接によった。すなわち、検査されているコラーゲン線維に近い脂肪の小滴が、コラーゲンに加えて観察されている少量の脂肪をもたらしたかもしれない。乳房組織のラマンモデルの開発において、モデル中の他の基礎スペクトルにより説明されない線形変動性が有意でなかったことが見出された。 One of the key requirements for successful morphological modeling was that there was little patient-to-patient variation in the Raman spectrum of a given morphological structure. Developing a model by averaging several spectra from many patients can ensure that the model includes a common element of all morphological features. The spectrum of the extracellular matrix was similar. The spectrum of the extracellular matrix is mainly collagen regardless of the patient. FIG. 67 shows the extracellular matrix spectra from five patients. The variability between patients is similar for all morphological features. The small differences observed were due to the close proximity of other morphological features. That is, fat droplets close to the collagen fibers being examined may have resulted in a small amount of fat being observed in addition to collagen. In developing a Raman model of breast tissue, it was found that linear variability not accounted for by other underlying spectra in the model was not significant.
モデル成分の直交性を解析する場合、4成分すなわち細胞質、脂肪、コラーゲンおよびコレステロール様が相互と比較した場合に0.5より大きい値を有することが見出された(表4)。 When analyzing the orthogonality of model components, it was found that the four components, namely cytoplasm, fat, collagen and cholesterol-like, had values greater than 0.5 when compared to each other (Table 4).
これら4要素は同一官能基の多くを有する(CH2屈曲、C−C伸長など)それでもなお、それらは、通常の最小二乗法当てはめを使用する場合にとりわけ区別されるのに十分直交性であった。水および細胞核もまたかなり重なっていた。にもかかわらず、成功裏の当てはめへの秘訣は、スペクトルの過決定(overdetermining)を回避するために適切なスペクトル情報を保持しつつ可能な限り少ない要素を使用することであった。最高の程度の重なり(0.89)を有するにもかかわらず、脂肪とコレステロール様のスペクトル間の差異は、図68A〜68Cおよび69A〜69Cのモデルを用いるデータフィットのノイズ成分より大きい。これゆえにモデルへのそれらの取り込みは合理的である。前に論考されたとおり、この状況では、モデルの予測値は当てはめられているデータのS/N比に依存する。 These four elements have many of the same functional groups (CH 2 bending, C—C extension, etc.), yet they are sufficiently orthogonal to be particularly distinguished when using normal least squares fitting. It was. Water and cell nuclei also overlapped considerably. Nevertheless, the key to a successful fit has been to use as few elements as possible while retaining adequate spectral information to avoid spectral overdetermining. Despite having the highest degree of overlap (0.89), the difference between fat and cholesterol-like spectra is greater than the noise component of the data fit using the models of FIGS. 68A-68C and 69A-69C. Hence their incorporation into the model is reasonable. As previously discussed, in this situation, the predicted value of the model depends on the S / N ratio of the fitted data.
ここで開発された形態学的モデルを使用して、ある範囲の巨視的組織サンプルのスペクトルの特徴を各サンプルの形態学的組成に関して説明し得る。図68A〜68Cおよび69A〜69Cで、正常、線維症、腺疾患、線維症/嚢胞症、線維腺腫および浸潤型乳管癌組織サンプルからのラマンスペクトルを形態学的モデルの基礎スペクトルの一次結合に当てはめた。1への総和に正規化したモデルにより生じられたフィット係数(図68A〜68Cおよび69A〜69Cにもまた示される)は、組織全体のスペクトル(独立に変動する水を除外する)への正規化した化学的および形態学的基礎スペクトルの寄与の割合を表す。例えば、図69A〜69Cに示される線維腺腫および悪性サンプルは双方とも大きな細胞質含量(それぞれ31および34%)を有する一方、ここで示される正常サンプルは有しない。この観察結果は正常組織若しくは他の良性病変さえとも比較した場合に浸潤型癌および線維腺腫のより大きな細胞性を反映し、それは経験を積んだ病理学者による該サンプルのその後の微視的解析により確認された。モデルのフィット係数と疾患に不随することが既知の形態学的変化との間の強い相関は、該モデルの正確さを証明する。図68A〜68Cおよび69A〜69Cで観察される小さな残差は、主要な分光学的特徴の全部が該モデルにより説明されることを示す。同様に、小さな残差は、ある範囲の疾患状態を表す37例の患者から収集した101の巨視的組織スペクトルを形態学的モデルと当てはめた場合に観察された。 Using the morphological model developed here, the spectral characteristics of a range of macroscopic tissue samples can be described with respect to the morphological composition of each sample. 68A-68C and 69A-69C, Raman spectra from normal, fibrosis, glandular disease, fibrosis / cystosis, fibroadenoma and invasive ductal carcinoma tissue samples are combined into a primary combination of morphological model base spectra. Fit. The fit factor generated by the model normalized to the sum to 1 (also shown in FIGS. 68A-68C and 69A-69C) is normalized to the whole tissue spectrum (excluding independently varying water) Represents the proportion of chemical and morphological base spectrum contributions made. For example, the fibroadenoma and malignant samples shown in FIGS. 69A-69C both have a large cytoplasmic content (31 and 34%, respectively) while the normal samples shown here do not. This observation reflects the greater cellularity of invasive cancer and fibroadenoma when compared to normal tissue or even other benign lesions, which is due to subsequent microscopic analysis of the sample by experienced pathologists. confirmed. The strong correlation between the model's fit factor and the morphological changes known to be insidious to the disease demonstrates the accuracy of the model. The small residuals observed in FIGS. 68A-68C and 69A-69C indicate that all major spectroscopic features are accounted for by the model. Similarly, small residuals were observed when 101 macroscopic tissue spectra collected from 37 patients representing a range of disease states were fitted with morphological models.
ラマン画像を位相差画像およびまた同一画像の連続染色切片と比較することにより、スペクトルおよび従って組織表面にわたる化学的変化をモニターすることが可能である。例えば、悪性組織中で見出される乳管上皮細胞のスペクトルを正常若しくは良性組織中で見出されるものと比較し得るのみならず、しかし浸潤型癌の一領域と同一組織切片内の疾患過程により影響を受けないものとの間で移動を行う際にこれらのスペクトル中の進行性の変化もまたモニターし得る。画像化はまた、位相差若しくは染色により可視的にされない化学的/形態学的差異の同定も可能にする。こうした情報を用い、疾患過程ならびにそれが組織の形態学および化学双方にどのように影響を及ぼすかのより良好な理解を獲得し得、そして形態学的モデルを開発し得る。 By comparing the Raman image with a phase contrast image and also with a serially stained section of the same image, it is possible to monitor the chemical changes across the spectrum and thus the tissue surface. For example, not only can the spectrum of ductal epithelial cells found in malignant tissue be compared to that found in normal or benign tissue, but it is also affected by the disease process in the same tissue section as a region of invasive cancer Progressive changes in these spectra can also be monitored as they move between those that do not. Imaging also allows the identification of chemical / morphological differences that are not made visible by phase contrast or staining. With such information, a better understanding of the disease process and how it affects both tissue morphology and chemistry can be gained, and morphological models can be developed.
乳房組織の形態学的モデルの構築は3つの仮定、すなわち、第一に、混合物のラマンスペクトルが該混合物の個々の成分の重み付け線形和に等しかったこと;第二に、細胞のような生物学的形態学的特徴が患者間で同一のラマンスペクトルを有したこと;および第三に、モデルに包含した基礎スペクトルがそれらのラマンスペクトルに基づくそれらの識別を可能にするのに十分性質が異なったこと、に頼った。 The construction of a morphological model of breast tissue has three assumptions: first, the Raman spectrum of the mixture was equal to the weighted linear sum of the individual components of the mixture; Morphological features had identical Raman spectra among patients; and third, the fundamental spectra included in the models were sufficiently different in nature to allow their discrimination based on their Raman spectra I depended on that.
収集したラマン微小画像のいくつかのみを、提示されたモデルを創製するのに使用したとは言え、それらの全部はモデルの包括性を試験するのに使用した。多様な病理学を伴う広範な患者からのスペクトルデータを使用することにより、該モデルが乳癌を包含する乳房組織中で見出される全部の主要なスペクトルの特徴を説明することが確実にされた。優れたモデルフィットはまた、乳房組織のラマンスペクトルがモデルに包含した9種の形態学的/化学的要素のスペクトルの重み付け線形和に等しいことも確認した。包含された要素のそれぞれは強い分光学的シグネチャを有し、患者間でほとんど変動せず、そしてシュウ酸カルシウム二水和物を除き大量で存在した。数種の要素は、それらのラマンスペクトルが他の要素のものと大きく重なりすぎたために独立に考慮されなかった。この重なりは、多くの細胞型(上皮細胞、線維芽細胞など)、基底膜および細胞膜(組織のスペクトルには弱く寄与するがしかし壊死性物質のスペクトルに非常に類似していた)に対する問題点であった。乳房組織中に存在する他の化学物質は、それらが有意でなかったほど総ラマンスペクトルにほとんど寄与しなかった。例えば、グリコサミノグリカンは細胞外マトリックス中に多量に存在するが、しかし非常に弱いラマン断面を有する一方、マトリックスメタロプロテイナーゼは少量で存在する。いずれも乳房組織のラマンスペクトル中では観察されなかった。 Although only some of the collected Raman micro-images were used to create the presented model, all of them were used to test the comprehensiveness of the model. Using spectral data from a wide range of patients with diverse pathologies ensured that the model accounted for all the major spectral features found in breast tissue, including breast cancer. A good model fit also confirmed that the Raman spectrum of breast tissue was equal to the weighted linear sum of the spectra of the nine morphological / chemical elements included in the model. Each of the included elements had a strong spectroscopic signature, hardly varied between patients, and was present in large quantities except for calcium oxalate dihydrate. Some elements were not considered independently because their Raman spectra overlapped too much with those of other elements. This overlap is a problem for many cell types (epithelial cells, fibroblasts, etc.), basement membranes and cell membranes (which contributed weakly to the tissue spectrum but was very similar to the necrotic material spectrum). there were. Other chemicals present in breast tissue contributed little to the total Raman spectrum as they were not significant. For example, glycosaminoglycans are present in large amounts in the extracellular matrix, but have a very weak Raman cross-section, while matrix metalloproteinases are present in small amounts. None were observed in the Raman spectrum of breast tissue.
ラマン微小画像化により同定される形態学的特徴の化学的組成は期待されたとおりであった。例えば、細胞外マトリックスはほとんどコラーゲンであることが見出された一方、脂肪小滴は主としてトリオレインであった。検査した細胞型(線維芽細胞、ある範囲の正常および疾患に罹った状態からの上皮細胞、ならびに炎症細胞)は全部、同一の基礎的成分すなわちコレステロールおよびコレステロールリノレエート、アクチンならびにDNAより構成された。各細胞は細胞膜(主にリン脂質、コレステロール、トリグリセリドおよび数種のタンパク質から構成される脂質二重層)により囲まれている。細胞質(主にサイトゾルすなわち細胞を満たす水性溶液)が細胞の嵩を構成している。細胞質内に、細胞内の制御された動きおよび組織化を可能にする主としてアクチンフィラメントより構成される細胞骨格;細胞の機械系(主により多くのタンパク質の作成および産生の調節)に関与するRNAおよびタンパク質;ならびに多様なオルガネラがある。これらのオルガネラの最大のものは細胞核である。核はDNA、RNAおよびヒストン(DNAが小型構造を形成するのを補助することに関与する)が豊富である。 The chemical composition of the morphological features identified by Raman microimaging was as expected. For example, the extracellular matrix was found to be mostly collagen, while the fat droplets were primarily triolein. The cell types examined (fibroblasts, epithelial cells from a range of normal and diseased states, and inflammatory cells) are all composed of the same basic components: cholesterol and cholesterol linoleate, actin and DNA. It was. Each cell is surrounded by a cell membrane (a lipid bilayer composed mainly of phospholipids, cholesterol, triglycerides and several proteins). The cytoplasm (mainly the cytosol or aqueous solution that fills the cells) constitutes the bulk of the cells. In the cytoplasm, a cytoskeleton composed primarily of actin filaments that allows controlled movement and organization within the cell; RNA involved in the cellular machinery (primarily regulating the production and production of more proteins) and There are proteins; as well as various organelles. The largest of these organelles is the cell nucleus. The nucleus is rich in DNA, RNA and histones, which are involved in helping DNA form small structures.
細胞の機能に依存して、それは変動する量のこれらの成分およびおそらくいくつかの付加的なもののそれぞれを有する。例えば、線維芽細胞は細胞外マトリックスの作成および維持を司る。そうするために、それらは、それらの細胞質内でコラーゲン、フィブリノーゲンおよびグリコサミノグリカンを産生しかつ細胞外空隙にそれらを輸送しなければならない。しかしながら、乳房組織のラマンモデルの開発に関しては、これらの成分は既にコラーゲンのスペクトルに包含されており、そして従って独立に考慮される必要はない。 Depending on the function of the cell, it has varying amounts of these components and possibly some additional ones respectively. For example, fibroblasts are responsible for creating and maintaining the extracellular matrix. In order to do so, they must produce collagen, fibrinogen and glycosaminoglycans in their cytoplasm and transport them to the extracellular space. However, for the development of a Raman model of breast tissue, these components are already included in the collagen spectrum and therefore do not need to be considered independently.
型内若しくは型間のいずれかの細胞の間で最も大きな差異は、細胞核に対する細胞質の比で観察し得る。この比に何らかの変動が存在することは自然であるが、しかしそれは異数性の発生により悪性細胞中で大きく誇張されているはずであり、そして悪性を診断するために病理学者により使用される。核対細胞質比のようなパラメータが将来、巨視的組織試料中で測定可能となるかもしれない。 The greatest difference between cells within or between types can be observed in the ratio of cytoplasm to cell nucleus. It is natural that there is some variation in this ratio, but it should be greatly exaggerated in malignant cells due to the occurrence of aneuploidy and used by pathologists to diagnose malignancy. Parameters such as the nuclear to cytoplasm ratio may be measurable in future macroscopic tissue samples.
多数の非細胞性成分、すなわちコラーゲン(細胞外マトリックスおよび基底膜)、脂肪、コレステロール様(壊死)、ハイドロキシアパタイトカルシウム、シュウ酸カルシウムおよびβ−カロチンもまた、乳房組織のラマンスペクトルのモデル化に重要であることが見出された。β−カロチンのような、これらのうちいくつかは強いラマン散乱体でありかつ従って良好なモデルフィットに必要とされたためにのみ重要であった。「コレステロール様」のようは他者もまた悪性を診断するために病理学者により使用される重要な特徴である。 Numerous non-cellular components, namely collagen (extracellular matrix and basement membrane), fat, cholesterol-like (necrosis), hydroxyapatite calcium, calcium oxalate and β-carotene are also important in modeling the Raman spectrum of breast tissue It was found that Some of these, such as β-carotene, were important only because they were strong Raman scatterers and were therefore required for a good model fit. Like “cholesterol-like”, others are also an important feature used by pathologists to diagnose malignancy.
乳房組織のラマンスペクトルに最も多く寄与するタンパク質はコラーゲンおよびアクチンである。コラーゲンは細胞外マトリックスを代表する一方、アクチンは細胞中で見出される。双方はタンパク質であるため、それらのラマンスペクトルは、とりわけ研究者が以前に正常、良性および悪性病変の間の差異を探していた1440〜1660cm−1の領域で非常に類似している。しかしながら、これらの基礎スペクトルに含有される情報をモデルの巨視的組織スペクトルの当てはめに使用する場合は、特定のサンプル中の細胞性物質(アクチン)および細胞外マトリックス(コラーゲン)の相対量についての情報を抽出することが可能である。この情報を使用して、下で説明される乳癌を診断するためのラマン分光法に基づくアルゴリズムを開発する。 The proteins that contribute the most to the Raman spectrum of breast tissue are collagen and actin. Collagen represents the extracellular matrix, whereas actin is found in cells. Since both are proteins, their Raman spectra are very similar, especially in the region between 1440 and 1660 cm −1 , where researchers have previously looked for differences between normal, benign and malignant lesions. However, when the information contained in these fundamental spectra is used to fit the macroscopic tissue spectrum of the model, information about the relative amounts of cellular material (actin) and extracellular matrix (collagen) in a particular sample Can be extracted. This information is used to develop an algorithm based on Raman spectroscopy for diagnosing breast cancer as described below.
スクリーニングマンモグラフィーは乳癌の早期検出における重要なツールである。特定の診断的意義の一特徴は乳房X線像上の微細石灰化の存在である。2種の主要な型の微細石灰化が乳房組織中で見出される。I型沈着物はシュウ酸カルシウム二水和物(複屈折性無色結晶)よりなる一方、II型沈着物はカルシウムリン酸塩、主としてハイドロキシアパタイトカルシウムより構成される。II型の微細石灰化は、典型的にはH&E染色の光学顕微鏡検査で好塩基性かつ非複屈折性である。 Screening mammography is an important tool in the early detection of breast cancer. One feature of particular diagnostic significance is the presence of microcalcifications on mammograms. Two major types of microcalcification are found in breast tissue. Type I deposits consist of calcium oxalate dihydrate (birefringent colorless crystals), while Type II deposits consist of calcium phosphate, primarily hydroxyapatite calcium. Type II microcalcifications are typically basophile and non-birefringent in optical microscopy with H & E staining.
臨床的乳房X線像でI型とII型の微細石灰化を区別するための信頼できる方法は存在しないが、しかし該型は疾患と相関すると考えられる。シュウ酸カルシウム二水和物結晶は良性乳管嚢胞中で最も頻繁にみられ、そして癌の病巣では稀に見出される一方、リン酸カルシウム沈着物は癌腫を包含する増殖性病変で最もしばしばみられる。この分布は、I型の微細石灰化が分泌の生成物である一方、II型のカルシウム沈着物が細胞の分解若しくは壊死由来であるという仮説と矛盾しない。 There is no reliable way to distinguish between type I and type II microcalcifications in clinical mammograms, but the type is thought to correlate with disease. Calcium oxalate dihydrate crystals are most frequently found in benign ductal cysts and are rarely found in cancerous lesions, while calcium phosphate deposits are most often seen in proliferative lesions, including carcinomas. This distribution is consistent with the hypothesis that type I microcalcifications are products of secretion, while type II calcifications are derived from cell degradation or necrosis.
II型の微細石灰化はI型より2ないし3倍より頻繁に発生すると推定されている。マンモグラフィーにより発見される触知不可能なII型の微細石灰化は、頻繁に乳房内の最も重要な異常の場所を幾何学的に標的とする。であるから、石灰化は放射線医が乳房X線像中で探す重要な成分である。マンモグラフィーで検出された微細石灰化の形状、大きさ、数および粗さのようなパラメータを疾患と相互に関連付けることを試みるいくつかのアルゴリズムが提案された。しかしながら、これらの研究は、濃いマンモグラフィーのバックグラウンド、低密度の石灰化斑点若しくは密に集団となった石灰化により症例をしばしば排除し、そして従ってある種の患者および乳房X線像のみに制限されている。マンモグラフィーに基づくクロスバリデーションアルゴリズムについての最高の報告された感度および特異性はそれぞれ71%および74%である。これらの研究は有望な結果を示すとは言え、マンモグラフィーで検出された微細石灰化を使用する乳癌の診断は定義しがたいままである。微細石灰化のマンモグラフィー上の外見は病変の組織学的型に何らかの関係をもつ一方、現在、診断はこれに基づいて確実になし得ない。 Type II microcalcifications are estimated to occur two to three times more frequently than type I. Non-tactable type II microcalcifications found by mammography frequently geometrically target the location of the most important anomalies within the breast. Therefore, calcification is an important component that radiologists look for in mammograms. Several algorithms have been proposed that attempt to correlate parameters such as shape, size, number and roughness of microcalcifications detected by mammography with disease. However, these studies often rule out cases due to dense mammographic background, low density calcification spots or densely clustered calcifications and are therefore limited to certain patients and mammograms only. ing. The highest reported sensitivity and specificity for the mammography based cross validation algorithm is 71% and 74%, respectively. Although these studies show promising results, the diagnosis of breast cancer using microcalcification detected by mammography remains undefined. While the mammographic appearance of microcalcifications has some relationship to the histological type of the lesion, currently no diagnosis can be made reliably on this basis.
乳房組織中のカルシウム沈着物は形態学的にのみ分類されているため、より厳密な方法を使用してそれらを検査することにより重要な洞察が得られるかもしれない。ラマン分光法は、光と物質との間のエネルギー交換に基づく技術である。それは、サンプルに入射する光子がサンプルの振動若しくは回転モードへ若しくはそれからエネルギーを移動させる非弾性散乱過程である。それは2光子過程でありかつ入射する光子の同時の吸収およびラマン光子の発射と見なし得る。これら2光子のエネルギー間の差異は1エネルギーレベルから別のものへの分子の遷移に対応する。エネルギーレベルはすべての分子に独特であるため、ラマンスペクトルは化学物質特異的である。ラマンスペクトル中の個々のバンドは特定の分子の動きに特徴的である。ラマン分光法は、使用される出力および励起波長が組織に対し非破壊的であるためにin vivo測定にとりわけ扱いやすい。ラマン分光法はin vitroでこれらの形態学的構造の決定的な化学的解析を提供し得るため、それは乳房組織中の微細石灰化の研究にさらに十分に適する。事実、ラマン分光法は、腎および尿路のようないくつかの他の器官中のカルシウム沈着物を検査するのに成功裏に使用されている。 Because calcium deposits in breast tissue are classified only morphologically, examining them using more rigorous methods may provide important insights. Raman spectroscopy is a technique based on energy exchange between light and matter. It is an inelastic scattering process in which photons incident on a sample transfer energy into or out of the sample's vibrational or rotational mode. It is a two-photon process and can be considered as simultaneous absorption of incident photons and emission of Raman photons. The difference between the energy of these two photons corresponds to the transition of the molecule from one energy level to another. Because the energy level is unique to every molecule, the Raman spectrum is chemical specific. Individual bands in the Raman spectrum are characteristic of specific molecular movements. Raman spectroscopy is particularly amenable to in vivo measurements because the power and excitation wavelengths used are non-destructive to the tissue. Since Raman spectroscopy can provide a definitive chemical analysis of these morphological structures in vitro, it is more well suited for the study of microcalcifications in breast tissue. In fact, Raman spectroscopy has been successfully used to examine calcific deposits in several other organs such as the kidney and urinary tract.
本発明の好ましい態様は、乳房中の異なる病変に存在する微細石灰化の化学的組成若しくは構造の差異を強調するためにラマン分光法を使用する。該態様からの結果は、乳房疾患の発症および進行に付随する化学的変化の理解を進め、かつ、ラマン分光法を使用する乳房疾患の診断に重要なパラメータを提供する。 A preferred embodiment of the present invention uses Raman spectroscopy to highlight differences in the chemical composition or structure of microcalcifications present in different lesions in the breast. The results from this aspect will advance the understanding of the chemical changes associated with the onset and progression of breast disease and provide important parameters for the diagnosis of breast disease using Raman spectroscopy.
ラマンスペクトルを、ホルマリン固定したパラフィン包埋乳房組織の6μm厚の脱パラフィン化切片から取得した。それらの診断の重要性のため、新鮮乳房組織中の微細石灰化は典型的に科学的研究のため残しておくことができず、そして従って好ましい態様の系は固定組織切片中の微細石灰化の検査に制限された。微細石灰化は比較的不活性であるため、固定剤のタンパク質架橋効果は最小限であるはずである。さらに、検査された石灰化からのラマンスペクトルの線の形状は、他の器官系の固定されない組織から取得した以前に発表されたデータと矛盾しない。サンプルをMgF2フラット(Moose Hill Enterprises Inc.、バージニア州スペリービル)上にマウントした。検査した各微細石灰化は位相差顕微鏡を使用して写真撮影した。位相差画像およびH&E染色した連続切片を、経験を積んだ病理学者(分光法の結果に対し盲検化された)により再評価し、そしてデータを取得した領域の疾患状態の組織学的診断をした。11例の患者からの乳房生検中の合計30個のI型および60個のII型の微細石灰化を、ラマン分光法を使用して検査し、74個は組織学的に良性の乳管および16個は組織学的に悪性の乳管からであった。良性乳管についての組織学的診断は、乳管上皮過形成、硬化性腺疾患、線維嚢胞性疾患および線維腺腫からメンケベルク動脈硬化症までの範囲にわたった一方、悪性乳管の全16個は腺管上皮内癌(DCIS)と診断された。侵襲性癌はデータを取得した領域で遭遇されなかった。患者の全11例が平均年齢53.4歳(範囲41〜85歳)の白人女性であり、そしてマンモグラフィーで見出された疑わしい微細石灰化について摘出乳房生検を受けていた。これらの患者は触知可能な乳房病変を有さず、また、線維腺腫を除いてマンモグラフィー上に他の重要な知見の塊状病変を有しなかった。 Raman spectra were obtained from 6 μm thick deparaffinized sections of formalin-fixed paraffin-embedded breast tissue. Because of their diagnostic importance, microcalcifications in fresh breast tissue typically cannot be left for scientific studies, and therefore the preferred embodiment system is suitable for microcalcifications in fixed tissue sections. Limited to inspection. Since microcalcification is relatively inert, the protein cross-linking effect of the fixative should be minimal. Furthermore, the shape of the Raman spectral lines from the examined calcifications is consistent with previously published data obtained from unfixed tissue of other organ systems. Samples were mounted on MgF 2 flats (Moose Hill Enterprises Inc., Sperryville, VA). Each microcalcification examined was photographed using a phase contrast microscope. Phase contrast images and H & E stained serial sections are reevaluated by an experienced pathologist (blinded for spectroscopic results) and histological diagnosis of the disease state in the area from which the data was obtained did. A total of 30 Type I and 60 Type II microcalcifications in breast biopsies from 11 patients were examined using Raman spectroscopy, with 74 histologically benign ducts And 16 were from histologically malignant ducts. Histological diagnosis of benign ducts ranged from ductal epithelial hyperplasia, sclerosing gland disease, fibrocystic disease and fibroadenoma to Menkeberg arteriosclerosis, while all 16 malignant ducts were glandular. Diagnosed as ductal carcinoma in situ (DCIS). Invasive cancer was not encountered in the area where data was acquired. All 11 patients were white women with an average age of 53.4 years (range 41-85 years) and had undergone an excised breast biopsy for suspected microcalcifications found on mammography. These patients had no palpable breast lesions and no mass lesions of other important findings on mammography, with the exception of fibroadenoma.
図70に示されるラマン顕微鏡検査系(以前に記述されている)を使用してデータを取得した。簡潔には、ラマン励起光(830nm)を共焦点顕微鏡に発射し、そしておよそ2μmのスポットサイズに集中させた。対物レンズ、63倍(NA0.9);Zeiss Achroplan)双方は励起を集中させかつラマン散乱光を後方散乱の形状で収集する。顕微鏡の上の電荷結合素子カメラは集中されたレーザースポットの白色光徹照画像とのレジストレーションを見込む。ダイクロイックビームスプリッタおよび鏡の組合せがラマン散乱光を分光器系に再方向付けし、ここでそれは−100℃に冷却した深空乏型CCD検出器(Princeton Instruments、ニュージャージー州プリンストン)により記録される。CCD上へのラマン散乱光の分散は画素あたり1.6cm−1をもたらす。ラマンスペクトルの全部を60秒の積算時間および8cm−1の空間分解能で取得した。使用した平均レーザー励起出力は100と150mWとの間で変動した。 Data was acquired using the Raman microscopy system (described previously) shown in FIG. Briefly, Raman excitation light (830 nm) was launched into a confocal microscope and concentrated to a spot size of approximately 2 μm. Both objective lens, 63x (NA 0.9); Zeiss Acroplan) concentrate the excitation and collect the Raman scattered light in the form of backscatter. A charge coupled device camera on top of the microscope expects registration of the focused laser spot with a white light illuminated image. A combination of dichroic beam splitters and mirrors redirects the Raman scattered light to the spectrometer system, where it is recorded by a deep depleted CCD detector (Princeton Instruments, Princeton, NJ) cooled to -100 ° C. The dispersion of Raman scattered light on the CCD results in 1.6 cm −1 per pixel. All of the Raman spectra were acquired with an integration time of 60 seconds and a spatial resolution of 8 cm −1 . The average laser excitation power used varied between 100 and 150 mW.
データ処理の全部は例えばMATLAB 5.30中のようなソフトウェアアルゴリズムを使用して実施した。スペクトルは、トルエンの既知のスペクトル線を使用してラマンシフト周波数較正した。5次の多項式を最小二乗法最小化によりスペクトルに当てはめ、そしてその後減算して、ゆっくりと変動する蛍光バックグラウンドを除去した。宇宙線は微分フィルター使用により除去した。 All of the data processing was performed using a software algorithm, such as in MATLAB 5.30. The spectrum was Raman shift frequency calibrated using known spectral lines of toluene. A fifth order polynomial was fit to the spectrum by least squares minimization and then subtracted to remove the slowly varying fluorescence background. Cosmic rays were removed by using a differential filter.
図71Aは微細石灰化の存在を暗示する特徴を表す試料のX線写真である一方、図71Bはこの試料の薄片から収集した位相差画像を表示する。図71B中の小さな囲みにより強調されている沈着物から取得したI型の微細石灰化のラマンスペクトルを図71Cに示す。このサンプルの全体的組織学ならびに位相差画像中で明らかな特異的な特徴に基づき、この病変を線維嚢胞性疾患と診断した。シュウ酸カルシウム二水和物に特徴的な振動の特徴は912cm−1、1477cm−1および1632cm−1に見ることができる。これらのラマンの特徴はそれぞれC−C伸長、ならびにC−O対称および非対称伸長に帰され、そして、シュウ酸カルシウム二水和物の以前に発表されたラマンスペクトルと矛盾しない。 FIG. 71A is a radiograph of a sample representing features that imply the presence of microcalcification, while FIG. 71B displays a phase contrast image collected from a slice of this sample. FIG. 71C shows the Raman spectrum of type I microcalcification obtained from the deposit highlighted by the small box in FIG. 71B. Based on the overall histology of this sample and the specific features evident in the phase contrast images, the lesion was diagnosed as a fibrocystic disease. The vibration characteristics characteristic of calcium oxalate dihydrate can be seen at 912 cm −1 , 1477 cm −1 and 1632 cm −1 . These Raman features are attributed to CC stretching, and CO symmetrical and asymmetric stretching, respectively, and are consistent with the previously published Raman spectrum of calcium oxalate dihydrate.
図72Aおよび72Bは悪性乳管中のII型の微細石灰化の位相差画像および対応する試料のX線写真を表示する。図72Cは図72A中で小さな囲みにより強調されている沈着物から取得したラマンスペクトルを示す。このスペクトルの検査により、微細石灰化が純粋なハイドロキシアパタイトカルシウムより構成されないことが明らかである。純粋な化学量論的ハイドロキシアパタイトカルシウムのラマンスペクトルは、4種のリン酸内部振動モードならびにヒドロキシルイオンの伸長および振動モードによるバンドを含有する。リン酸振動モードのうち2種は、検査するために選ばれたスペクトル範囲ならびにヒドロキシルイオンモードの双方からである。960cm−1の大きなバンドは「遊離」四面体リン酸イオンのv1(PO4)の完全に対称な伸長モードである。もう1つのリン酸V1モードは948cm−1に存在するが、しかし960cm−1の幅広いリン酸伸長モードにより不明瞭にされている。5個のv3(PO4)バンド由来の重なるラマン構造を1028cm−1と1061cm−1の間で見ることができる。第六のv3(PO4)モードが1085cm−1に出現する。存在するリン酸の特徴は以前に発表されたハイドロキシアパタイトカルシウムのラマンスペクトルと矛盾しない。ハイドロキシアパタイトカルシウム由来のリン酸ピークに加え、このスペクトル中に存在するいくつかの他の振動モードが存在する。タンパク質の寄与を1445cm−1および1650cm−1に見ることができる。また、1004cm−1に存在する鋭いピークはフェニルアラニンに帰され得る。脂質からの小さな寄与はC−C伸長およびC−H(CH2)屈曲としてそれぞれ1130cm−1および1300cm−1に明らかである。 72A and 72B display a phase contrast image of type II microcalcifications in a malignant duct and a radiograph of the corresponding sample. FIG. 72C shows a Raman spectrum obtained from the deposit highlighted in FIG. 72A by a small box. Examination of this spectrum reveals that microcalcification is not composed of pure hydroxyapatite calcium. The Raman spectrum of pure stoichiometric hydroxyapatite calcium contains four phosphate internal vibrational modes and bands due to hydroxyl ion stretching and vibrational modes. Two of the phosphate vibration modes are from both the spectral range selected for examination as well as the hydroxyl ion mode. The large band at 960 cm −1 is a fully symmetric elongation mode of v 1 (PO 4 ) of the “free” tetrahedral phosphate ion. Another phosphate V 1 mode exists at 948 cm −1 , but is obscured by a broad phosphate extension mode of 960 cm −1 . Overlapping Raman structures from five v 3 (PO 4 ) bands can be seen between 1028 cm −1 and 1061 cm −1 . A sixth v 3 (PO 4 ) mode appears at 1085 cm −1 . The characteristics of phosphoric acid present are consistent with the previously published Raman spectrum of hydroxyapatite calcium. In addition to the phosphate peak derived from hydroxyapatite calcium, there are several other vibrational modes that exist in this spectrum. Protein contributions can be seen at 1445 cm −1 and 1650 cm −1 . A sharp peak at 1004 cm −1 can also be attributed to phenylalanine. Small contribution from the lipid is evident each 1130 cm -1 and 1300 cm -1 as C-C stretching and CH (CH 2) bend.
最初に、I型およびII型の微細石灰化から取得したデータをそれらのラマンスペクトルに基づき分離した。特定の波数での振動強度の存在若しくは非存在を使用してI型とII型の微細石灰化を区別した。シュウ酸カルシウム二水和物に特徴的な912cm−1および1477cm−1の大きなピークを含有するスペクトルをI型の範疇にグループ分けした一方、ハイドロキシアパタイトカルシウムに特徴的な960cm−1に強度を表すスペクトルをII型の範疇にグループ分けした。好ましい一態様で実施した解析において、I型およびII型の微細石灰化への分離は視覚的検査により実施した。しかしながら、スペクトルを正規化しかつ存在するものの強度値に基づいてそれらを960cm−1(II型)若しくは1477cm−1(I型)のいずれかに区別する自動化コンピュータアルゴリズムを代替の一態様で実行し得る。検査したI型の微細石灰化の全30個が線維嚢胞性疾患の病巣で形成されており、そして従ってI型の微細石灰化の全30個が良性と診断された。これは、I型の微細石灰化が分泌の生成物として形成されかつ典型的には嚢胞性病変中に位置するという事実と矛盾しない。I型の微細石灰化は悪性病変、とりわけ上皮内小葉癌で見出されているとは言え、それは非常に稀である。 Initially, data obtained from Type I and Type II microcalcifications were separated based on their Raman spectra. The presence or absence of vibration intensity at a specific wavenumber was used to distinguish between type I and type II microcalcifications. While the spectrum containing a large peak characteristic 912Cm -1 and 1477cm -1 of calcium oxalate dihydrate were grouped into the category of type I represents the intensity characteristic of 960 cm -1 to calcium hydroxyapatite The spectra were grouped into Type II categories. In the analysis performed in one preferred embodiment, separation into type I and type II microcalcifications was performed by visual inspection. However, may be performed in one embodiment of an alternative automated computer algorithm distinguishes to any one of them 960 cm -1 based on the intensity values of those with and present normalized spectrum (II type) or 1477cm -1 (I type) . All 30 type I microcalcifications examined were formed in the lesions of fibrocystic disease, and therefore all 30 type I microcalcifications were diagnosed as benign. This is consistent with the fact that type I microcalcifications are formed as secretion products and are typically located in cystic lesions. Although type I microcalcifications are found in malignant lesions, especially lobular carcinoma in situ, it is very rare.
良性および悪性乳房病変中に存在するII型の微細石灰化を区別するために、主成分分析(PCA)と呼ばれる多変量統計学的解析方法。いくつかの他の器官系の疾患に罹った組織サンプルを分類するのに類似の方法が使用されている。PCAはラマンスペクトル全体を使用し、そして組織の化学的組成についていかなる知識も想定しない。それは一組のスペクトルデータ全体をいくつかの直交主成分(PC)スペクトルに解像するケモメトリクスの技術である。これらのPCスペクトルは正および負の成分を有し得、そしてPCが適正な重み付け係数により乗算される場合にデータ(ノイズにより課される限界内)の全部を正確に記述する一組の完全なcasisを形成し得る。スコアと呼ばれるこれらの重み付け係数は化学的画分に類似である。因子分析/ケモメトリクスに基づく一方法として、PCAは小さなスペクトルの変動を認識し得、そして従って類似性に基づきサンプルを区別する。この解析方法はII型の乳房の微細石灰化の検査によく適する。それらが生物学的不純物による微小の化学的変動を伴うハイドロキシアパタイトカルシウムより主に構成されるためである。PCAは元来および自ずからほとんど物理的情報を提供しないが、しかしながらそれは物理的情報と相関するスペクトルの傾向の単離に熟練しており、そしてそれにより診断アルゴリズムの開発の基礎を提供する。さらに、診断的PCスペクトルの線の形状を純粋な化学物質のスペクトルと比較することにより、意味するところをそれらに帰することが可能である。より重要なことには、好ましい一態様のこの解析方法は、II型の微細石灰化のラマンスペクトル内に含有される本当に重要な診断情報が存在するという原理の証拠を提供する。 A multivariate statistical analysis method called principal component analysis (PCA) to distinguish type II microcalcifications present in benign and malignant breast lesions. Similar methods have been used to classify tissue samples suffering from several other organ system diseases. PCA uses the entire Raman spectrum and does not assume any knowledge about the chemical composition of the tissue. It is a chemometric technique that resolves an entire set of spectral data into several orthogonal principal component (PC) spectra. These PC spectra can have positive and negative components, and a complete set of data that accurately describes all of the data (within the limits imposed by noise) when the PC is multiplied by the appropriate weighting factor Cassis can be formed. These weighting factors, called scores, are similar to chemical fractions. As a method based on factor analysis / chemometrics, PCA can recognize small spectral variations and thus distinguish samples based on similarity. This analysis method is well suited for testing type II breast microcalcifications. This is because they are mainly composed of hydroxyapatite calcium with minute chemical fluctuations due to biological impurities. PCA inherently and naturally provides little physical information, however, it is skilled in isolating spectral trends that correlate with physical information, and thereby provides the basis for the development of diagnostic algorithms. Furthermore, by comparing the shape of the lines in the diagnostic PC spectrum with the spectrum of pure chemicals, it is possible to attribute them to what they mean. More importantly, this preferred method of analysis provides evidence of the principle that there is really important diagnostic information contained within the Raman spectrum of type II microcalcifications.
一組のPCデータを決定するための特異値分解アルゴリズムを好ましい一態様で使用する。該一組のデータを960cm−1のピーク高に正規化していかなる可能な強度の偏りも除去し、そしてその後、PCAを実施する前に平均を中央としてスペクトルの全部に共通の特徴を除去し、それによりスペクトルの分散を強調した。スペクトルの全60個を、9個のPCを使用してノイズレベルより上に正確にモデル化し得た。最初の6PCがデータ中の全分散の97%以上の原因である。次に、ロジスティック回帰分析(一判別分析法)を使用して診断アルゴリズムを生成させ、乳房病変を良性および悪性の範疇に分類するのにそれを使用した。ロジスティック回帰分析は、各ラマンスペクトルについて計算されたPCの重み付け係数(スコア)を診断の範疇と相互に関連付ける。診断は盲検化された病理学者により提供した。1個抜きクロスバリデーション解析を使用して確固たるアルゴリズムを得た。 A singular value decomposition algorithm for determining a set of PC data is used in a preferred manner. Normalizing the set of data to a peak height of 960 cm −1 to remove any possible intensity bias, and then removing features common to all of the spectra centered on the average before performing PCA; It emphasizes the spectral dispersion. All 60 of the spectra could be accurately modeled above the noise level using 9 PCs. The first 6PCs account for over 97% of the total variance in the data. A logistic regression analysis (one discriminant analysis) was then used to generate a diagnostic algorithm that was used to classify breast lesions into benign and malignant categories. Logistic regression analysis correlates the PC weighting factor (score) calculated for each Raman spectrum with the diagnostic category. Diagnosis was provided by a blinded pathologist. A robust algorithm was obtained using cross-validation analysis without a single piece.
線維腺腫は検査された他の病変の全部と完全に異なる系統の良性腫瘍である。それは葉状腫瘍(その悪性の対蹠物は上皮よりむしろ間質が悪性である)に緊密に関係する。さらに、臨床医は、乳房の病変は身体検査に基づき線維腺腫/葉状腫瘍のファミリーにあることを典型的に知っており、そしてマンモグラフィーで微細石灰化以外を特徴付ける。これらの病変は処置のために外科的に摘出されなければならないため、医師が線維腺腫の診断のための補助のツールとしてラマン分光法のような技術を使用することはありそうにないとみられる。これらの理由から、線維腺腫と診断されたサンプルを解析から除外した後に、アルゴリズムの性能を評価する。 Fibroadenoma is a benign tumor of a completely different lineage from all the other lesions examined. It is closely related to phyllodes tumors (the malignant counterpart is malignant in the stroma rather than the epithelium). In addition, clinicians typically know that breast lesions are in the fibroadenoma / phyllodes family based on physical examination and are characterized by mammography other than microcalcifications. Because these lesions must be surgically removed for treatment, it is unlikely that physicians will use techniques such as Raman spectroscopy as an aid tool for the diagnosis of fibroadenoma. For these reasons, the performance of the algorithm is evaluated after excluding samples diagnosed as fibroadenoma from the analysis.
PCAおよびロジスティック回帰分析の組合せを使用して、II型の微細石灰化のラマンスペクトルのシグネチャを検査して、乳房疾患の診断がこれに基づいてなされ得るかどうかを決定した。3種のPCスコアを用いて高レベルの診断の正確さを得た。重要なスコアはPC2、PC3およびPC5に関連する。PC5はデータ中の全分散の1.0%を説明する一方、PC2およびPC3はそれぞれ8.8%および5.2%を説明する。これら3種のPCおよび1個抜きクロスバリデーション法を使用して、16個のDCISのうち14個および39個の良性サンプルのうち34個を正確に予測し得た。従って、良性および悪性の乳管で発生するII型の微細石灰化は88%の感度および87%の特異性で区別し得た。サンプルの全部が保持された場合、感度および特異性はわずかにのみ劣化され、80%への感度の下落を伴い88%の感度を維持する。II型の微細石灰化の診断アルゴリズムの一図解を図73に示す。アルゴリズムを2次元表示に簡約するために、PC5およびPC2(良性微細石灰化について双方ともより高スコアを有する)を一緒に追加して単一軸を形成した。このアルゴリズムに基づき、乳管上皮過形成および硬化性腺疾患(最も普遍的に癌と形態学的に混同される良性状態)と診断されたサンプルの全部が正確に予測された。線維腺腫中に存在する5個のII型の間質石灰化のうち4個、ならびにメンケベルク動脈硬化症の4個の動脈石灰化のうち2個および線維嚢胞性疾患中の13個の乳管石灰化のうち3個が誤診断された。 A combination of PCA and logistic regression analysis was used to examine the signature of the Raman spectrum of type II microcalcifications to determine whether a diagnosis of breast disease could be made based on this. Three PC scores were used to obtain a high level of diagnostic accuracy. Important score related to PC 2, PC 3 and PC 5. PC 5 accounts for 1.0% of the total variance in the data, while PC 2 and PC 3 account for 8.8% and 5.2%, respectively. Using these three PCs and the single cross validation method, 14 out of 16 DCIS and 34 out of 39 benign samples could be accurately predicted. Thus, type II microcalcifications occurring in benign and malignant ducts could be distinguished with 88% sensitivity and 87% specificity. If all of the sample is retained, sensitivity and specificity are only slightly degraded, maintaining a sensitivity of 88% with a drop in sensitivity to 80%. An illustration of a diagnostic algorithm for type II microcalcifications is shown in FIG. To reduce the algorithm to a two-dimensional display, PC 5 and PC 2 (both with higher scores for benign microcalcification) were added together to form a single axis. Based on this algorithm, all of the samples diagnosed with ductal epithelial hyperplasia and sclerosing glandular disease (the most universally benign state morphologically confused with cancer) were accurately predicted. 4 of 5 type II interstitial calcifications present in fibroadenoma, and 2 of 4 arterial calcifications of Menkeberg arteriosclerosis and 13 ductal limes in fibrocystic disease Three of the cases were misdiagnosed.
一般に、ただ1つの微細石灰化を各病変について検討した。しかしながら、2サンプルで同一病変からの複数の微細石灰化を検討し、そして各所定の病変のスペクトル中に有意の差異はみられなかった。データがI型およびII型双方の微細石灰化からの組合せられたデータである場合、88%の全体的感受性および74%の特異性、ならびに97%の負の予測値が得られた。これらの結果から生成させた受診者動作特性(ROC)曲線を図74に示す。固定組織中でのこれらのin vitroの結果に基づき、ラマン分光法は、良性悪性乳房病変に関連する微細石灰化をマンモグラフィーより正確に区別する潜在能力を有することが示される。新鮮組織でin vitroで、および究極的にin vivoで実施された付加的な研究は、乳癌の診断についてX線マンモグラフィーと比較したラマン分光法の臨床的有用性をより良好に評価し得る。 In general, only one microcalcification was examined for each lesion. However, two samples examined multiple microcalcifications from the same lesion and there was no significant difference in the spectrum of each given lesion. When the data were combined data from both Type I and Type II microcalcifications, an overall sensitivity of 88% and a specificity of 74% were obtained, as well as a negative predictive value of 97%. A patient operating characteristic (ROC) curve generated from these results is shown in FIG. Based on these in vitro results in fixed tissue, it is shown that Raman spectroscopy has the potential to more accurately distinguish microcalcifications associated with benign malignant breast lesions than mammography. Additional studies conducted in vitro and ultimately in vivo on fresh tissue may better assess the clinical utility of Raman spectroscopy compared to x-ray mammography for the diagnosis of breast cancer.
3種の診断的PCスペクトルの検査により、この識別を司る物理的基礎への洞察を得ることができる。最も診断上重要なPCスペクトルは図75Aに示されるPC5であった。このPCスペクトルの検査は960cm−1のリン酸の伸長ピークのブロードニングを示す。このブロードニングは図75Bに明瞭に示され、ここでPC5はII型の微細石灰化の全部からの平均スペクトルが重ねられている。このピークのブロードニングは炭酸カルシウムの存在に由来することが文献で報告されている。これらの態様において、炭酸化アパタイトモデル系へのラマン分光法の応用は、増大した炭酸含量を伴うリン酸ピークのブロードニングを示した。アパタイト構造への炭酸イオンの導入はその単位小室の対称性を低下させる。ピークのブロードニングは、サンプルの炭酸含量が増大する際のアパタイト構造中の長範囲の移動秩序の喪失から生じる。該解析は、960cm−1のリン酸の伸縮モードのFWHMとサンプルの炭酸カルシウム含量との間の直線関係を見出した。PC5中の960cm−1のブロードニングが微細石灰化の炭酸カルシウム含量の変動に由来するかもしれないという証拠は、炭酸カルシウムのν1(CO3)モードに帰される1070cm−1のピークで明らかである。しかしながら、正および負双方の特徴の包含により賦与されるPCスペクトルの解釈における困難は付加的な検討を必要とする。 Examination of the three diagnostic PC spectra can provide insight into the physical basis governing this identification. The most diagnostically relevant PC spectrum was PC 5 shown in FIG. 75A. Examination of this PC spectrum shows broadening of the 960 cm −1 phosphate extension peak. This broadening is clearly shown in FIG. 75B, where PC 5 is overlaid with an average spectrum from all of the Type II microcalcifications. It has been reported in the literature that this peak broadening is due to the presence of calcium carbonate. In these embodiments, application of Raman spectroscopy to the carbonated apatite model system showed phosphoric acid peak broadening with increased carbonate content. The introduction of carbonate ions into the apatite structure reduces the symmetry of the unit chamber. Peak broadening results from the loss of long-range migration order in the apatite structure as the sample's carbonic acid content increases. The analysis found a linear relationship between the FWHM of the 960 cm −1 phosphate stretch mode and the calcium carbonate content of the sample. Evidence that 960 cm −1 broadening in PC 5 may be derived from variations in the calcium carbonate content of microcalcifications is evident in the 1070 cm −1 peak attributed to the ν 1 (CO 3 ) mode of calcium carbonate. It is. However, the difficulty in interpreting the PC spectrum afforded by the inclusion of both positive and negative features requires additional consideration.
本当にPC5が存在する炭酸カルシウムの量の変動の原因である場合には、PC5についてより高スコアを有するスペクトルは、より小さい重み付け係数をもつスペクトルより多量の炭酸カルシウムを含有する。良性スペクトルは典型的に悪性スペクトルより大きなPC5のスコアを有するため、乳房の良性病変に存在するII型の微細石灰化はDCISで見出される沈着物より多量の炭酸カルシウムを含有すると仮定し得る。この仮説を確認するために、半値幅(FWHM)を各ラマンスペクトル中の960cm−1のリン酸の伸長ピークについて計算した。良性病変で形成されたII型の微細石灰化はより高い炭酸カルシウム含量を有するという理論に従い、良性の乳房病変中に存在するII型の微細石灰化は18.0±0.5cm−1の平均FWHMを有したことが見出された。この差異の有意性は0.03というPに反映されている。この値はWilcoxonの順位和検定(データの正規分布を想定しない)に基づいて計算した。さらに、誤って診断されたサンプルのFWHMを検査する場合には反対の傾向が見出される。悪性と誤って診断された良性サンプルのFWHMは15.8±0.5cm−1であった一方、良性と誤って診断された悪性サンプルのものは17.5±0.5cm−1であり、リン酸の伸長モードの幅が重要な診断的特徴であることを示す。しかしながら、1070cm−1の炭酸の伸長モードのピーク高は良性サンプル中で平均して4倍より大きいとは言え、それは960cm−1のリン酸の伸長モードのFWHMと直線的に相関しない。これは、アパタイト構造中の付加的な不純物が対称性の破壊、およびそれにより960cm−1のピークのブロードニング寄与することを示す。これらの不純物はPC5の複雑な振動構造中で明らかであるが、しかし現在のところ同定されていない。PC5はまた、1445cm−1のCH2、CH3の屈曲モードおよび1650cm−1のアミドIの振動のようなタンパク質を表すいくつかの特徴も含有する。正の強度を有する炭酸カルシウムの特徴と異なり、タンパク質の特徴は負の方向をもつ。これは、タンパク質および炭酸含量が逆相関すること、および従って良性サンプルは悪性サンプルより低いタンパク質含量を有することを示す。 If PC 5 is indeed responsible for the variation in the amount of calcium carbonate present, a spectrum with a higher score for PC 5 will contain more calcium carbonate than a spectrum with a smaller weighting factor. Since the benign spectrum typically has a PC 5 score greater than the malignant spectrum, it can be assumed that the type II microcalcifications present in benign lesions of the breast contain more calcium carbonate than the deposits found in DCIS. To confirm this hypothesis, the full width at half maximum (FWHM) was calculated for the 960 cm −1 phosphate extension peak in each Raman spectrum. In accordance with the theory that type II microcalcifications formed in benign lesions have a higher calcium carbonate content, type II microcalcifications present in benign breast lesions average 18.0 ± 0.5 cm −1 It was found to have a FWHM. The significance of this difference is reflected in a P of 0.03. This value was calculated based on Wilcoxon rank sum test (not assuming normal distribution of data). Furthermore, the opposite trend is found when examining the FWHM of misdiagnosed samples. The FWHM of a benign sample mistakenly diagnosed as malignant was 15.8 ± 0.5 cm −1 , while that of a malignant sample mistakenly diagnosed as benign is 17.5 ± 0.5 cm −1 , The breadth of elongation mode of phosphoric acid is an important diagnostic feature. However, although the peak height of the elongation mode of carbon dioxide at 1070 cm −1 is on average more than 4 times in the benign sample, it does not correlate linearly with the FWHM of the elongation mode of 960 cm −1 phosphate. This indicates that additional impurities in the apatite structure contribute to symmetry breaking and thereby broadening the 960 cm −1 peak. These impurities are evident in the complex vibrational structure of PC 5 , but have not been identified to date. PC 5 also contains a number of features representing proteins such as vibration of CH 2, amide CH 3 bending mode and 1650 cm -1 I of 1445cm -1. Unlike calcium carbonate, which has a positive strength, protein features have a negative direction. This indicates that the protein and carbonic acid contents are inversely correlated, and thus the benign sample has a lower protein content than the malignant sample.
良性および悪性病変中のII型の微細石灰化中に存在するタンパク質および炭酸カルシウムの量は、図76に示されるPC2の検査により付加的に確認される。このスペクトルは、正に向けられる炭酸カルシウムの特徴(とりわけ1070cm−1)ならびに負に向けられるタンパク質の特徴を含有するようにもまた見え、そして、平均して良性乳管中で形成される微細石灰化のラマンスペクトルにより大きく寄与する。加えてPC2は960cm−1付近に大きな第二の誘導体様の特徴を表す。この型の構造はデータ中のピークのブロードニングを説明し、そして、加えて、良性乳管中で形成されるII型の微細石灰化が悪性乳管中で形成されるものよりもより多量の炭酸カルシウム、および従って960cm−1のピークのより大きなブロードニングを有する傾向があるという仮説を裏付ける。 The amount of protein and calcium carbonate present during type II microcalcifications in benign and malignant lesions is additionally confirmed by examination of PC 2 shown in FIG. This spectrum also appears to contain positively directed calcium carbonate features (especially 1070 cm −1 ) as well as negatively directed protein features and, on average, fine lime formed in benign ducts It greatly contributes to the Raman spectrum. In addition, PC 2 exhibits a large second derivative-like feature around 960 cm −1 . This type of structure explains the broadening of the peaks in the data, and in addition, type II microcalcifications formed in benign ducts are more abundant than those formed in malignant ducts This supports the hypothesis that it tends to have a greater broadening of calcium carbonate and hence the peak at 960 cm −1 .
PC3もまた診断上重要であることが見出され、そして図77に示される。しかしながら、PC3は、悪性乳管中でII型の微細石灰化から取得されるラマンスペクトルにより大きく寄与する。それは正に向けられるタンパク質の特徴を有し、従って、悪性乳管中で形成された微細石灰化が良性乳管中の沈着物よりもより多量のタンパク質を有するという理論に付加的な支持を与える。良性および悪性乳管中の微細石灰化中のタンパク質の量は、1650cm−1のアミドIの振動のピーク高をモニターすることにより確認される。このモードの強度は、悪性病変で形成されたII型の微細石灰化中でおよそ1.5倍より大きい。加えて、フェニルアラニン(コラーゲンおよび他のタンパク質に関連してしばしば見出されるアミノ酸)からの寄与をPC3中で1004cm−1に見ることができる。PC3はおよそ960cm−1に大きな第一の誘導体様の特徴を表す。この特徴はリン酸の伸長モードのピークのシフトの原因であり、タンパク質の特徴と正に相関する。これらのタンパク質の特徴の存在は、DCISで発生する細胞の分解に類似の間質若しくは動脈の分解の結果であるところの線維腺腫における間質石灰化およびメンケベルク動脈硬化症における動脈石灰化の誤診断を説明するかもしれない。 PC 3 was also found to be diagnostically important and is shown in FIG. However, PC 3 contributes significantly to the Raman spectrum obtained from type II microcalcifications in malignant ducts. It has positively directed protein characteristics and thus provides additional support for the theory that microcalcifications formed in malignant ducts have more protein than deposits in benign ducts . The amount of protein during microcalcification in benign and malignant ducts is confirmed by monitoring the peak height of the amide I vibration at 1650 cm −1 . The intensity of this mode is approximately 1.5 times greater in type II microcalcifications formed in malignant lesions. In addition, the contribution from phenylalanine (an amino acid often found in association with collagen and other proteins) can be seen in PC 3 at 1004 cm −1 . PC 3 represents a large first derivative-like feature at approximately 960 cm −1 . This feature is responsible for the shift of the phosphate elongation mode peak and is positively correlated with the protein features. The presence of these protein features is a misdiagnosis of interstitial calcification in fibroadenoma and arterial calcification in Menkeberg arteriosclerosis as a result of stromal or arterial degradation similar to cell degradation occurring in DCIS Might explain.
ラマンプローブを包含する好ましい態様は、良性および悪性病変で見出される微細石灰化を区別するラマン分光法の診断的潜在能力を示した。加えて、PCAを使用して、良性および悪性の乳房病変中に存在するII型の微細石灰化の化学的組成のわずかな差異が発見されている。該結果に基づき、乳房の良性病変中に存在するII型の微細石灰化は、悪性病変中で形成されるものより低いタンパク質およびより高い炭酸カルシウムの双方の化学物質含量を有すると仮定し得る。好ましい態様は、ほとんど組織が得られずかつ病変が十分に表されていないかもしれないがしかし微細石灰化が存在している乳房の生検で、in vitroでラマン技術を使用する。さらに、該態様は、続いて生検を受ける必要がある微細石灰化を伴う患者の選択を補助するためにマンモグラフィーへのin vivo付属物として使用されるかもしれない。 Preferred embodiments involving Raman probes have shown the diagnostic potential of Raman spectroscopy to distinguish microcalcifications found in benign and malignant lesions. In addition, using PCA, slight differences in the chemical composition of type II microcalcifications present in benign and malignant breast lesions have been discovered. Based on the results, it can be assumed that type II microcalcifications present in benign lesions of the breast have a lower protein and higher calcium carbonate chemical content than those formed in malignant lesions. A preferred embodiment uses a Raman technique in vitro in a biopsy of a breast where little tissue is obtained and the lesion may not be well represented but microcalcification is present. Furthermore, the embodiment may be used as an in vivo appendage to mammography to assist in the selection of patients with microcalcifications that subsequently need to undergo a biopsy.
ラマン分光法は、検討されているサンプルについての詳細な質的および量的情報を提供し得る。ラマン画像化データの組を取得するためのいくつかのアプローチが使用されている。3種の標準的アプローチは、点走査、線走査および直接画像化である。直接画像化は単一スペクトル成分をもつ完全な画像の収集を必要とする。波長選択性は、それぞれでフレームを捕獲する指定された波数間隔により掃引する音響光学的若しくは液晶の調節可能なフィルターのいずれかを使用することにより達成される。線走査および点走査は、線若しくは単一点のいずれかを画像化する際に完全なスペクトル(通常、生物学的媒体について400と1800cm−1との間のラマンシフトを包括する)を収集する。これらのアプローチのそれぞれからの結果として得られるデータの組は、ラマンシフトおよび2本の空間軸の関数としてのラマン強度のハイパーキューブと見なし得る。 Raman spectroscopy can provide detailed qualitative and quantitative information about the sample under consideration. Several approaches have been used to acquire a set of Raman imaging data. The three standard approaches are point scanning, line scanning and direct imaging. Direct imaging requires the collection of complete images with a single spectral component. Wavelength selectivity is achieved by using either an acousto-optic or liquid crystal tunable filter that sweeps with a specified wavenumber interval that captures the frame at each. Line scans and point scans collect complete spectra (typically encompassing Raman shifts between 400 and 1800 cm −1 for biological media) when imaging either lines or single points. The resulting data set from each of these approaches can be viewed as a hypercube of Raman intensity as a function of the Raman shift and the two spatial axes.
組織構造のマッピングに加え、ラマン画像化は疾患過程のin situの化学的検討に使用し得る。1つのこうした例がアテローム硬化症であり、該疾患の最終生成物(セロイド)は化学組成が未知である自己蛍光脂質生成物と同定されている。画像化を伴う表面増強ラマン分光法を使用して生存細胞の化学的組成を検討し得る。とりわけ、細胞のDNAおよびフェニルアラニン含量をモニターし得る。 In addition to mapping tissue structure, Raman imaging can be used for in situ chemical studies of disease processes. One such example is atherosclerosis, where the end product of the disease (the ceroid) has been identified as an autofluorescent lipid product of unknown chemical composition. Surface enhanced Raman spectroscopy with imaging can be used to examine the chemical composition of viable cells. In particular, the DNA and phenylalanine content of the cells can be monitored.
スペクトル画像の創製のための古くからの一技術は特定のピーク高の検査による。このアプローチにおいて、各空間的位置の特定の1ラマンバンドの強度をプロットして画像を製作する。このモデルは広範に使用されており、そして選ばれた振動周波数に強度を与えるサンプル中のすべての分子の空間的位置についての情報を提供する。しかしながら、このアプローチは利用可能なデータの小部分のみを利用する。いくつかの別個の部分が特定の1ラマンバンドに強度を与えるとみられる複雑な生物学的サンプル中では、それらを区別するためにスペクトル情報の全部を取り込むことが必要である。これは、画像を創製する場合に点および線走査を用いてなされるような完全なスペクトルを利用するモデルの応用により達成される。秘訣は管理可能でそれでもなお情報を提供する形態に情報を圧縮することである。いくつかの普遍的データ圧縮技術は、主成分分析(PCA)、多変量曲線解像(MCR)およびユークリッド距離である。形態学的モデル化は、本発明の好ましい態様でもまた使用されるアプローチである。 One old technique for the creation of spectral images is by examination of specific peak heights. In this approach, an image is created by plotting the intensity of a particular Raman band at each spatial location. This model is widely used and provides information about the spatial location of all molecules in the sample that give strength to the chosen vibrational frequency. However, this approach uses only a small portion of the available data. In complex biological samples where several distinct parts appear to give intensity to a particular Raman band, it is necessary to capture all of the spectral information to distinguish them. This is accomplished by application of a model that utilizes the full spectrum, such as is done using point and line scans when creating an image. The trick is to compress the information into a form that can be managed and still provide information. Some universal data compression techniques are principal component analysis (PCA), multivariate curve resolution (MCR) and Euclidean distance. Morphological modeling is an approach that is also used in preferred embodiments of the present invention.
これらの方法の1つ1つは、化学物質の混合物のラマンスペクトルを混合物の成分のスペクトルの一次結合として表し得るという基礎的仮定に頼る。ラマン画像は、モデル内に含有される基礎スペクトルを画像中の各位置で得られるラマンスペクトルに当てはめることにより生成される。一般に、より多くの基礎スペクトルがデータスペクトルに寄与するほど、フィット係数がより大きくなりかつそのスポットが検査されている成分の画像中でより明るくなる。PCAおよびMCRの場合、基礎スペクトルは数学的に導かれる一方、ユークリッド距離および形態学的モデル化については、基礎スペクトルは実験的に決定される。 Each of these methods relies on the basic assumption that the Raman spectrum of a mixture of chemicals can be expressed as a linear combination of the spectra of the components of the mixture. The Raman image is generated by fitting the fundamental spectrum contained in the model to the Raman spectrum obtained at each position in the image. In general, the more base spectrum contributes to the data spectrum, the higher the fit factor and the brighter the spot in the image of the component being examined. For PCA and MCR, the fundamental spectrum is derived mathematically, while for Euclidean distance and morphological modeling, the fundamental spectrum is determined experimentally.
PCAでは特異値分解を使用して基礎スペクトルを計算する。第一の基礎スペクトル(すなわち主成分)は、データが解析前に平均を中心にされている場合はデータ中の最大分散を説明する。第二の基礎スペクトルは次の最も大きい分散を説明し、そして基礎スペクトルがデータ中のノイズのみを説明するまでそれが続く。それらが相互に直交しかつ従って重なるスペクトル情報を含有しないようなこれらの基礎スペクトルが創製される。これらの主成分が画像化データの組に当てはめられる場合に得られるフィット係数を使用して二次元画像を創製し得る。この画像は、主成分により表されるスペクトルの特徴がサンプル中にどのように分布されているかのマップを提供する。順に、このマップは、組織学的染色を用いた位相差顕微鏡検査若しくは光学顕微鏡検査のような別の光学技術により観察される形態学的特徴と相互に関連付け得る。主成分の線形もまた既知の化学物質のラマンスペクトルと相互に関連付けられるかもしれないが、しかしながら、主成分は負および正双方のスペクトルの特徴を含有するためにこれは困難である。 PCA uses singular value decomposition to calculate the fundamental spectrum. The first fundamental spectrum (ie principal component) describes the maximum variance in the data if the data is centered on the average before analysis. The second fundamental spectrum explains the next largest variance, and so on until the fundamental spectrum only explains the noise in the data. These fundamental spectra are created such that they are mutually orthogonal and therefore do not contain overlapping spectral information. A two-dimensional image can be created using the fit coefficients obtained when these principal components are applied to a set of imaging data. This image provides a map of how the spectral features represented by the principal components are distributed in the sample. In turn, this map may correlate with morphological features observed by another optical technique such as phase contrast microscopy or light microscopy using histological staining. The linearity of the principal component may also be correlated with the Raman spectrum of a known chemical, but this is difficult because the principal component contains both negative and positive spectral features.
MCRはサンプル中に存在する化学物質の現実のラマンスペクトルに類似である基礎スペクトルを抽出するよう設計されている。サンプル中に存在する濃度若しくは基礎スペクトルの初期推定値を制約付き交互最小二乗法至適化で使用する。基礎スペクトルおよび濃度についての最小二乗法の解の間を反復することにより濃度および基礎スペクトルの新たな推定値を生成する。これらの等式は非負性制約に従って解き、基礎スペクトルおよび濃度の双方が全部正でありかつ従って物理的に関連することを確実にし得る。至適化は、1反復から次のものまでの濃度および基礎スペクトルの変化が最小となるまで継続する。系がより複雑になるほど、これらの等式に対する意味のある解を得るために初期推定値がより良好である必要がある。データに固有の多様な成分およびノイズのスペクトルの特徴における高度の重なりにより、MCRは常に正しい解に収束し得るわけではない。しかしながら、解が見出される場合は、生じられた基礎スペクトルはサンプル中に存在する個々の化学物質のラマンスペクトルに似ている。もう一度、基礎スペクトルのフィット係数を使用して画像を製作し得る。 MCR is designed to extract a fundamental spectrum that is similar to the real Raman spectrum of the chemicals present in a sample. The initial estimate of the concentration or fundamental spectrum present in the sample is used in constrained alternating least squares optimization. Generate new estimates of the concentration and base spectrum by iterating between the least squares solution for the base spectrum and concentration. These equations can be solved according to non-negative constraints to ensure that both the fundamental spectrum and concentration are all positive and therefore physically related. Optimization continues until the change in concentration and baseline spectrum from one iteration to the next is minimized. The more complex the system, the better the initial estimate needs to get a meaningful solution to these equations. Due to the various components inherent in the data and the high degree of overlap in the spectral characteristics of the noise, the MCR cannot always converge to the correct solution. However, if a solution is found, the resulting fundamental spectrum is similar to the Raman spectrum of the individual chemicals present in the sample. Once again, an image may be produced using the base spectral fit factor.
サンプルについて推測的にほとんど未知である場合はPCAおよびMCR双方が有用な技術となる。それらはその化学的起源を知ることなくスペクトル情報を抽出することを可能にする。ユークリッド距離測定および形態学的モデル化の双方は、双方がサンプルの既知の化学についての情報を使用して画像を創製する。ユークリッド距離は存在する数種の化学物質の知識のみを必要とする一方、形態学的モデル化はサンプルのラマンスペクトルへの主要な寄与因子の全部の知識を必要とする。サンプルの大部分の前知識を必要とするにもかかわらず、形態学的モデル化は最も容易に解釈可能な結果を生じさせる。 Both PCA and MCR are useful techniques when the sample is almost speculatively unknown. They make it possible to extract spectral information without knowing its chemical origin. Both Euclidean distance measurements and morphological modeling both create images using information about the sample's known chemistry. While Euclidean distance only requires knowledge of the few chemicals that are present, morphological modeling requires knowledge of all of the major contributors to the sample's Raman spectrum. Despite the need for most prior knowledge of the sample, morphological modeling produces the most easily interpretable results.
ユークリッド距離は、データの幾何学的距離に従い、基礎スペクトル(通常は純粋な化学物質スペクトル)からの画像データのスペクトル分散を分類する。該距離は、等式: The Euclidean distance classifies the spectral dispersion of the image data from the fundamental spectrum (usually a pure chemical spectrum) according to the geometric distance of the data. The distance is the equation:
[式中、dはユークリッド距離であり、Sはサンプルデータであり、Pは純粋な化学物質スペクトルであり、そしてλはスペクトルが取得される波長を表す]を使用して計算される。画像のスペクトルが基礎スペクトルと大きく異なるほど、該距離はより大きくなる。 Where d is the Euclidean distance, S is the sample data, P is the pure chemical spectrum, and λ represents the wavelength at which the spectrum is acquired. The greater the image spectrum differs from the fundamental spectrum, the greater the distance.
形態学的モデル化はラマン画像を解析するための新技術であり、通常の最小二乗法を使用して一組の基礎スペクトルをデータに当てはめる。基礎スペクトルの起源はこのアプローチを非常に有用にするものである。基礎スペクトルは、ラマン共焦点顕微鏡を使用して一組の代表的サンプルで見出される主要な形態学的特徴から取得する。in situで取得したある範囲の形態学的特徴を使用することにより、in situの化学的微小環境でその形態学的成分を表すスペクトルを得る。基礎スペクトルはサンプル中に存在する主要化学物質の全部を説明すべきであるが、しかし、どの基礎スペクトルが正確に解像され得るかを決定するために、データのS/Nならびに基礎スペクトルの重なりの程度の双方を考慮しなければならない。基礎スペクトルは純粋な化合物から取得し得るとは言え、形態学的に派生した成分が好ましい。それらは実際のサンプル由来であり、そして従って純粋な化学物質スペクトルよりもin situで観察されるものにより近いからである。ときに、目的の化学物質がサンプル内で独立に存在しない場合は純粋な化学物質成分および形態学的に派生した成分の組合せが最良の結果を生じさせる。モデルが良好に選択されている場合、生じられた画像はサンプル中の詳細な形態学的および化学的構造を示し得る。 Morphological modeling is a new technique for analyzing Raman images and uses a conventional least squares method to fit a set of fundamental spectra to the data. The origin of the fundamental spectrum makes this approach very useful. Base spectra are obtained from the main morphological features found in a set of representative samples using a Raman confocal microscope. By using a range of morphological features acquired in situ, a spectrum representing its morphological components in the in situ chemical microenvironment is obtained. The fundamental spectrum should account for all of the major chemicals present in the sample, but to determine which fundamental spectra can be accurately resolved, the S / N of the data as well as the overlap of the fundamental spectra You must consider both of the degree. Although the fundamental spectrum can be obtained from pure compounds, morphologically derived components are preferred. They are derived from actual samples and are therefore closer to those observed in situ than pure chemical spectra. Sometimes a combination of pure chemical components and morphologically derived components gives the best results if the chemical of interest is not independently present in the sample. If the model is well selected, the resulting image can show detailed morphological and chemical structure in the sample.
好ましい態様は、形態学的モデル化をヒト結腸癌細胞ならびにヒト乳房および動脈サンプルのラマン画像に適用する。この形態学的モデル化方法を、他の普遍的に使用される技術、主として:ピーク高解析、PCA、MCRおよびユークリッド距離と比較する。 The preferred embodiment applies morphological modeling to human colon cancer cells and Raman images of human breast and arterial samples. This morphological modeling method is compared with other commonly used techniques, mainly: peak height analysis, PCA, MCR and Euclidean distance.
乳房組織サンプルを摘出生検試料から得た一方、動脈サンプルは移植の時点で外植心から得た。一旦取り出されれば組織は液体窒素中で急速凍結しそして−80℃で保存した。その後、組織サンプルをヒストプレップ(Histoprep)(Fisher Diagnostics、ニューヨーク州オレンジバーグ)を使用してクライオスタットチャック上にマウントし、そしてクライオマイクロトーム(International Equipment Company、マサチューセッツ州ニーダムハイツ)を使用して6μm厚の切片に切断した。いくつかの連続切片を切断し、1つをラマンデータ取得のためMgF2スライド(Moose Hill Enterprises Inc.、バージニア州スペリービル)上に、そして最低2個の他者を組織学的染色のためガラス製スライドガラス上にマウントした。染色したスライドガラスはラマンマップで観察された特徴の病理学的確認に使用した。測定中、組織はPBS、pH=7.4で湿らせたまま保った。ラマン微小画像に加え、CCDカメラを介して未染色組織の位相差画像を録画した。 Breast tissue samples were obtained from excised biopsy specimens, while arterial samples were obtained from explants at the time of transplantation. Once removed, the tissue was snap frozen in liquid nitrogen and stored at -80 ° C. Tissue samples were then mounted on a cryostat chuck using Histoprep (Fisher Diagnostics, Orangeburg, NY) and 6 μm thick using a cryomicrotome (International Equipment Company, Needham Heights, Mass.). Cut into sections. Cut several serial sections, one on a MgF 2 slide (Moose Hill Enterprises Inc., Sperryville, VA) for Raman data acquisition, and at least two others on glass for histological staining. Mounted on a glass slide. The stained glass slide was used for pathological confirmation of the features observed on the Raman map. During the measurement, the tissue was kept moist with PBS, pH = 7.4. In addition to the Raman microimage, a phase contrast image of unstained tissue was recorded via a CCD camera.
細胞の検討はヒト結腸癌細胞株HT29を使用して実施した。それらは10%ウシ胎児血清、100単位/mlのペニシリンおよび100μg/mlのストレプトマイシン(全部Gibco BRL製品、Life Technologies、ニューヨーク州グランドアイランド)を補充した高グルコースダルベッコの改変イーグル培地(DMEM)を使用して増殖させた。細胞は空気中5%CO2の加湿雰囲気中37℃でコンフルエンシーまで増殖させ、そしてトリプシンを使用して懸濁液に分散させた。細胞懸濁液をMgF2フラット上に置き、リン酸緩衝生理的食塩水(PBS、pH=7.4で緩衝される)ですすぎそして風乾させた。サンプルの乾燥はマッピング実験の間中細胞を固定するために必要であった。その後、乾燥したサンプルをPBSで再度湿らせ、そしてその後ラマンマップを取得した。乾燥細胞から収集したラマン画像化顕微鏡データを、バルクラマン系を使用して懸濁液中でなお生存可能な細胞から収集したデータと比較した。乾燥細胞から取得したスペクトルを使用して、生存可能な細胞から得たスペクトルをモデル化した。モデルフィットからの残差は観察されなかった。 Cell studies were performed using the human colon cancer cell line HT29. They use high glucose Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) supplemented with 10% fetal bovine serum, 100 units / ml penicillin and 100 μg / ml streptomycin (all Gibco BRL products, Life Technologies, Grand Island, NY). And allowed to grow. Cells were grown to confluency at 37 ° C. in a humidified atmosphere of 5% CO 2 in air and dispersed in suspension using trypsin. The cell suspension was placed on a MgF 2 flat, rinsed with phosphate buffered saline (buffered with PBS, pH = 7.4) and allowed to air dry. Sample drying was necessary to fix the cells throughout the mapping experiment. The dried sample was then rewetted with PBS and a Raman map was then obtained. Raman imaging microscopy data collected from dried cells was compared to data collected from cells still viable in suspension using the bulk Raman system. Spectra obtained from dry cells were used to model spectra obtained from viable cells. No residual from the model fit was observed.
ここに提示された画像のデータを収集するのに使用したラマン微小画像化の設定は点走査系であった。ラマン励起はアルゴンイオンレーザーポンピングTi:サファイアレーザー(Coherent Innova 90/Spectra−Physics 3900S、Coherent Inc.、カリフォルニア州サンタクララ)により提供した。典型的に、50〜150mWの830nmの励起光を、顕微鏡対物レンズ(63倍Zeiss Achroplan、無限補正液浸、開口数0.9)により2μm未満の直径をもつサンプル上のスポットに集中させた。スペクトル分解能はおよそ8cm−1であった。組織のスペクトルマップは顕微鏡対物レンズ下でトランスレーションステージ(Prior Scientific Instruments Ltd.、マサチューセッツ州ケンブリッジ)をラスター走査することにより創製した。マップは通常、共焦点顕微鏡の空間分解能に一致する2μmのステップサイズを用いて取得した。データ収集時間は、画像のステップサイズ、ステップ数およびスペクトル取得時間のようないくつかのユーザー定義パラメータに依存したとは言え、ラマン画像全体は典型的には2〜5時間で生成された。顕微鏡の上のCCDカメラは、白色光徹照若しくは位相差画像との集中されたレーザースポットのレジストレーションを見込んだ。 The Raman microimaging setting used to collect the image data presented here was a point scan system. Raman excitation was provided by an argon ion laser pumped Ti: sapphire laser (Coherent Innova 90 / Spectra-Physics 3900S, Coherent Inc., Santa Clara, Calif.). Typically, 50-150 mW of 830 nm excitation light was focused on a spot on the sample with a diameter of less than 2 μm by a microscope objective (63 × Zeiss Acroplan, infinite correction immersion, numerical aperture 0.9). The spectral resolution was approximately 8 cm −1 . A spectral map of the tissue was created by raster scanning a translation stage (Primor Scientific Instruments Ltd., Cambridge, Mass.) Under a microscope objective. The map was usually acquired using a 2 μm step size consistent with the spatial resolution of the confocal microscope. Although the data acquisition time was dependent on several user-defined parameters such as the image step size, number of steps and spectral acquisition time, the entire Raman image was typically generated in 2-5 hours. The CCD camera on the microscope allowed for registration of focused laser spots with white light illumination or phase contrast images.
全部のスペクトルデータ処理はソフトウェア、例えばMATLAB(MathWorks,Inc.、マサチューセッツ州ナティック)を使用して実施した。データは、タングステン光源を使用してシステムのスペクトル応答について補正し、そしてその後トルエンの既知のラマン線を使用して周波数較正した。宇宙線は微分フィルターを用いて除去し、また、MgF2フラットからの小さなバックグラウンドを減算した。その後、データを4次、若しくは5次の多項式と当てはめ、いかなる蛍光バックグラウンドも除去するためにそれをスペクトルから減算した。全データはピーク高を1に正規化した。最後に、MATLABを使用して、多様なデータ圧縮技術すなわちPCA、MCR、ユークリッド距離および形態学的モデル化を実行した。好ましい態様において、形態学的モデル化のための当てはめアルゴリズムとして使用したPCAおよび通常の最小二乗法のアルゴリズムは、限定されるものでないがMATLABのようなソフトウェアから提供された一方、MCRのアルゴリズムはPLS_Toolbox(Eigenvecter Research,Inc、ワシントン州マンソン)の一部であった。HT29細胞の分光学的モデル化に使用した純粋な化学物質すなわちトリオレイン、ホスファチジルコリン、コレステロールおよびDNA(仔ウシ胸腺)はSigma(ミズーリ州セントルイス)から購入した。 All spectral data processing was performed using software such as MATLAB (MathWorks, Inc., Natick, Mass.). The data was corrected for the spectral response of the system using a tungsten light source and then frequency calibrated using the known Raman line of toluene. Cosmic rays were removed using a differential filter and a small background from the MgF 2 flat was subtracted. The data was then fitted with a fourth or fifth order polynomial and subtracted from the spectrum to remove any fluorescence background. All data were normalized to a peak height of 1. Finally, MATLAB was used to perform various data compression techniques: PCA, MCR, Euclidean distance and morphological modeling. In a preferred embodiment, the PCA used as a fitting algorithm for morphological modeling and the normal least squares algorithm were provided from software such as but not limited to MATLAB, while the MCR algorithm was PLS_Toolbox. (Eigenvector Research, Inc, Manson, WA). The pure chemicals used for spectroscopic modeling of HT29 cells, namely triolein, phosphatidylcholine, cholesterol and DNA (calf thymus) were purchased from Sigma (St. Louis, MO).
向上された画像コントラストを得るために、空間的フィルタリングに基づく平滑化アルゴリズムを好ましい態様のデータに適用した。空間的フィルタリングは、ディジタル画像中の隣接する画素が関係した情報を含有するという仮定に頼る。中央の画素を取り囲みかつ包含する一群の画素をカーネルと呼ぶ。平滑化アルゴリズムは3×3のカーネルサイズに基づく。好ましいアルゴリズムはカーネルの中心からのそれらの幾何学的距離の逆数により寄与する画素を重み付けするマスクを使用する。結果として生じるマスクは: In order to obtain improved image contrast, a smoothing algorithm based on spatial filtering was applied to the preferred mode of data. Spatial filtering relies on the assumption that adjacent pixels in a digital image contain relevant information. A group of pixels that surround and encompass the central pixel is called a kernel. The smoothing algorithm is based on a 3 × 3 kernel size. The preferred algorithm uses a mask that weights the contributing pixels by the reciprocal of their geometric distance from the center of the kernel. The resulting mask is:
であり、ここで各画分はカーネル中の画素の加重を表す。 Where each fraction represents the weight of the pixel in the kernel.
形態学的モデル化は小スケールに関する構造的および化学的情報の収集のための強力なツールである。図78A〜78Gで、ヒト結腸癌細胞(HT29)のスペクトルをホスファチジルコリン(A)、DNA(B)、コレステロール(C)、トリオレイン(D)、および「細胞質」(E)(乳房組織モデルについて開発された形態学的に派生したスペクトル、主としてアクチン)の純粋な化学物質スペクトルと当てはめる場合に細胞膜、核および細胞質のような特徴が容易に同定される。図78E中に示されたボクセルに対応するスペクトルは対応するフィットおよび残差と一緒にGで見ることができる。個々のモデル要素のフィットの寄与率もまた示す。該スペクトル画像は位相差画像と一致し、5種の基礎スペクトルの単純なモデルを使用して、サンプルについての構造的および化学的情報を細胞以下のレベルで得ることが可能であることを示す。画像中に示される細胞は共焦点顕微鏡の焦点の面により水平に二分されるため、細胞膜(主としてホスファチジルコリンおよびコレステロール)は環状構造として観察され、細胞質およびDNAの寄与はそれ内の別個の特徴として明瞭に観察される。HT29細胞の平均的な核の大きさは10μmであり、細胞のDNA含量のラマン画像により提供される寸法と矛盾しない。 Morphological modeling is a powerful tool for collecting structural and chemical information on small scales. 78A-78G, human colon cancer cells (HT29) spectra were developed for phosphatidylcholine (A), DNA (B), cholesterol (C), triolein (D), and “cytoplasm” (E) (breast tissue model). Features such as cell membrane, nucleus and cytoplasm are easily identified when applied to the pure chemical spectrum of the morphologically derived spectrum, primarily actin). The spectrum corresponding to the voxel shown in FIG. 78E can be viewed in G along with the corresponding fit and residual. The contribution rate of the fit of the individual model elements is also shown. The spectral image is consistent with the phase contrast image, indicating that structural and chemical information about the sample can be obtained at the subcellular level using a simple model of the five fundamental spectra. Since the cells shown in the image are horizontally bisected by the focal plane of the confocal microscope, the cell membrane (mainly phosphatidylcholine and cholesterol) is observed as a circular structure, and the cytoplasmic and DNA contributions are clearly seen as separate features within it. Observed. The average nucleus size of HT29 cells is 10 μm, consistent with the dimensions provided by the Raman image of the cell's DNA content.
形態学的モデル化はヒト組織サンプルに同様に適用し得る。図79A〜79Gは、形態学的構造のいくつか(79B〜F)の分布を描くラマン画像と一緒に軽度にアテローム硬化性の動脈の位相差画像(79AおよびG)を示す。該画像は、コレステロール(79B)、泡沫細胞および壊死中心(79C)が内膜にのみ制限される一方、平滑筋細胞(79E)がより優勢に中膜で見出されることをはっきりと示す。この知見はアテローム硬化性の血管の既知の構造と一致する。1個の平滑筋細胞と次のものとの間にわずかな分界のみが存在する。それらは中膜中で非常に緊密に間隔を置いて配置されかつ重なりさえしているためである。該画像はこの技術の高空間分解能を示し、また、弾性板の穿孔(アテローム硬化症の発症とともに発生することが既知の過程)の証拠を示す。穿孔は内部弾性板(IEL)のラマン画像すなわち図79Dで観察され得る。図79Eに示される平滑筋細胞はIEL中の裂け目を通って内膜に移動するのを見ることができる。平滑筋細胞の移動はアテローム硬化性疾患の進行の一特徴である。加えて、散在する結合組織のバックグラウンドの上の内膜中の顕著なコラーゲン線維(2F)(位相差画像からは完全に認識することが困難である特徴)を同定し得る。 Morphological modeling can be applied to human tissue samples as well. FIGS. 79A-79G show phase contrast images (79A and G) of mildly atherosclerotic arteries with Raman images depicting the distribution of some of the morphological structures (79B-F). The image clearly shows that smooth muscle cells (79E) are found more predominantly in the media while cholesterol (79B), foam cells and necrotic centers (79C) are restricted only to the intima. This finding is consistent with the known structure of atherosclerotic blood vessels. There is only a slight demarcation between one smooth muscle cell and the next. This is because they are very closely spaced and even overlap in the media. The image shows the high spatial resolution of this technique and evidence of elastic plate perforation (a process known to occur with the development of atherosclerosis). The perforations can be observed in a Raman image of the internal elastic plate (IEL), ie FIG. 79D. It can be seen that the smooth muscle cells shown in FIG. 79E migrate through the tear in the IEL to the intima. Smooth muscle cell migration is a feature of progression of atherosclerotic disease. In addition, significant collagen fibers (2F) in the intima above the background of scattered connective tissue (features that are difficult to fully recognize from phase contrast images) can be identified.
図80A〜80Gは乳房組織(図80A〜D)をとりわけ解析するために創製した形態学的モデルを使用して得られる正常ヒト乳管のラマン画像を示す。これらの画像は、DNAのリン酸の伸長(1094cm−1)およびアミドIのバンド(1664cm−1)に特徴的な2種のラマンバンドの強度をプロットすることにより創製したもの(図80EおよびF)と比較し得る。形態学的に基づくラマン画像は、特定の成分(細胞質(80A)、細胞核(80B)、脂質(80C)若しくはコラーゲン(80D))がスペクトルに強く寄与する領域(明るい領域)を表す。組織サンプルの組織学的分析はおよそ25μmの直径をもつ正常乳管を示した。この大きさの典型的な乳管は基底膜(主としてコラーゲン)により囲まれる上皮細胞の環よりなる。管内におよびそれを囲み若干の脂肪がある。形態学的モデルの画像は乳管の構造をはっきりと示す一方、1094および1664cm−1で見出されるラマンバンドを使用して製作したピーク高画像ははるかにより少なく情報を提供する。DNAのリン酸の伸長(1094cm−1、図80E)は主として細胞領域で見出されるはずである一方、タンパク質を暗示するアミドIのバンド(1664cm−1、図80F)は主に膠原領域で見出されるはずであるとは言え、生じられた画像は細胞成分もコラーゲンも形態学的モデル画像が示すほど明瞭に示さない。これは、アミドIのバンドが細胞骨格を形成するものを包含する多くのタンパク質中で見出され得る一方で、リン酸の伸長がコラーゲンスペクトル中に存在するバンドと重なるためである。スペクトルの重なりによる形態学的特徴を正確に区別することのピーク高分析の無能は、はるかにより少なく情報を提供する画像をもたらす。 FIGS. 80A-80G show Raman images of normal human breast ducts obtained using a morphological model created to specifically analyze breast tissue (FIGS. 80A-D). These images were created by plotting the intensity of two Raman bands characteristic of the DNA phosphate extension (1094 cm −1 ) and the amide I band (1664 cm −1 ) (FIGS. 80E and F). ). The morphologically based Raman image represents a region (bright region) where a specific component (cytoplasm (80A), cell nucleus (80B), lipid (80C) or collagen (80D)) contributes strongly to the spectrum. Histological analysis of the tissue sample showed a normal breast duct with a diameter of approximately 25 μm. A typical breast duct of this size consists of a ring of epithelial cells surrounded by a basement membrane (mainly collagen). There is some fat in and around the tube. The morphological model images clearly show the structure of the ducts, while the peak height images produced using the Raman bands found at 1094 and 1664 cm −1 provide much less information. The phosphate extension of DNA (1094 cm −1 , FIG. 80E) should be found primarily in the cellular region, while the amide I band (1664 cm −1 , FIG. 80F) suggesting the protein is primarily found in the collagen region. Nonetheless, the resulting image does not show as clearly as the morphological model image shows neither cellular components nor collagen. This is because the amide I band can be found in many proteins, including those that form the cytoskeleton, while the phosphate extension overlaps with the bands present in the collagen spectrum. The inability of peak height analysis to accurately distinguish morphological features due to spectral overlap results in images that provide much less information.
図80Gのラマンスペクトルはラマン画像中の単一点を表す。該スペクトルは多くの化学的成分の混合物であり、その全部がラマンスペクトルに寄与している。該スペクトルを形態学的モデルと当てはめることにより、データ中の主要なスペクトルの特徴を説明することが可能である。図80G中にまた示されるフィットの残差は圧倒的にノイズであり、ラマン画像化データのハイパーキューブ中の情報の全部がモデルに基づく画像により表し得ることを示す。 The Raman spectrum in FIG. 80G represents a single point in the Raman image. The spectrum is a mixture of many chemical components, all of which contribute to the Raman spectrum. By fitting the spectrum with a morphological model, it is possible to explain the characteristics of the main spectrum in the data. The fit residual also shown in FIG. 80G is predominantly noise, indicating that all of the information in the hypercube of Raman imaging data can be represented by a model-based image.
形態学的モデル化はラマン画像を表示する有効な一手段であるとは言え、それは検査されているサンプルのはるかに高度な知識を必要とする。前に論考されたとおり、PCA、MCRおよびユークリッド距離もまたデータを管理可能な形態に圧縮するのに使用し得、かつ、系についてほとんど未知である場合にはるかにより有効である。図81A〜81Eは、PCA、MCR、ユークリッド距離および形態学的モデル化の並置した比較を示す。同一のデータ組から生成させた画像は、コラーゲンマトリックスにより囲まれた3個の乳管単位(主に細胞)を含有する正常乳房組織のサンプルのものである。見ることができるとおり、全4種の技術により創製された画像は同様である。ユークリッド距離画像は、他の技術との容易な比較のために反転として示される(それらは他の方法が表すような類似性よりはむしろ入力スペクトルとの差異を表すため)。左にコラーゲンに帰することができる寄与が示される一方、右には細胞核(主にDNA)のよりわずかな寄与を表す。PCA(図81A)およびMCR(図81B)双方とも、7種の独立に変動する基礎スペクトルを見出すことが可能であった。乳房組織の完全な形態学的モデルは9種の基礎スペクトルを有するが、しかしながら、これは、病理学上非常に重要であるがしかしヒト乳房組織中では稀にのみ観察されかつこの試料中で全く観察されない微細石灰化のようないくつかの要素を包含している。 Although morphological modeling is an effective means of displaying Raman images, it requires much more advanced knowledge of the sample being examined. As previously discussed, PCA, MCR, and Euclidean distance can also be used to compress data into manageable forms and are much more effective when little is known about the system. 81A-81E show side-by-side comparisons of PCA, MCR, Euclidean distance, and morphological modeling. Images generated from the same data set are of normal breast tissue samples containing three ductal units (mainly cells) surrounded by a collagen matrix. As can be seen, the images created by all four techniques are similar. Euclidean distance images are shown as inverted for easy comparison with other techniques (because they represent differences from the input spectrum rather than similarities that other methods represent). The contribution that can be attributed to collagen is shown on the left, while the lesser contribution of the cell nucleus (mainly DNA) is shown on the right. Both PCA (FIG. 81A) and MCR (FIG. 81B) were able to find seven independently varying fundamental spectra. A complete morphological model of breast tissue has nine fundamental spectra, however, it is very pathologically important but is rarely observed in human breast tissue and is completely absent in this sample. It includes several elements such as microcalcifications that are not observed.
第一の2主成分(MCRを使用して派生したスペクトルのうち2種)、ならびにコラーゲンおよび細胞核の基礎スペクトルを図81Eに示す。最初の主成分およびMCRのスペクトルはコラーゲンのスペクトル(該画像への最大の寄与因子)に類似である。第二の主成分およびMCRにより製作したスペクトルは、双方とも、細胞核のスペクトルのいくつかの特徴を(負のピークとして)含有するが、しかし製作された画像(図81AおよびB、右)から見ることができるとおり、それらは乳管単位内の核内容物の抽出において形態学的モデル(図81D、右)よりもはるかにより少なく効果的である。図81D(右)で観察される乳管単位の満たされた円形は、この組織薄片の病理学と一致する。 The first two principal components (two of the spectra derived using MCR) and the basic spectra of collagen and cell nuclei are shown in FIG. 81E. The spectrum of the initial principal component and MCR is similar to that of collagen (the largest contributor to the image). The spectra produced by the second principal component and MCR both contain some features of the nuclear spectrum (as negative peaks), but are seen from the produced images (FIGS. 81A and B, right). As can be, they are much less effective than the morphological model (FIG. 81D, right) in the extraction of nuclear contents within the ductal unit. The filled circle of the ductal unit observed in FIG. 81D (right) is consistent with the pathology of this tissue slice.
図82Aおよび82Bは、図81A〜Dの左(図82Aで示される列)で使用したラマン画像の特定の一列の正規化したフィット係数を示す。PCA(△)、MCR(□)、ユークリッド距離(○)および形態学的モデル(×)は全部、フィット係数の強度の変化により示される組織の膠原領域から細胞領域へのいくつかの形態の遷移を表し、該遷移は形態学的モデルを使用した場合に最も鋭い。従って、形態学的モデルはサンプルの構成要素(例えば細胞核)のより多くについての情報を提供するのみならず、しかしそれはまたより高分解能を伴う画像も生じさせる。 82A and 82B show the normalized fit factor for a particular row of Raman images used on the left of FIGS. 81A-D (column shown in FIG. 82A). PCA (△), MCR (□), Euclidean distance (◯) and morphological model (x) are all some morphological transitions from collagenous to cellular regions of tissue as indicated by changes in strength of the fit factor And the transition is sharpest when using a morphological model. Thus, the morphological model not only provides information about more of the sample components (eg, cell nuclei), but it also produces images with higher resolution.
ラマン画像の最も単純な表示方法は特定の一ラマンバンドの強度あるいは2個のラマンバンドの比をプロットすることである。この解析方法はデータの小さい一部分のみを利用し、そして、大部分の生物学的サンプルは類似のスペクトルの特徴をもつ多くの化合物を含有するために、生物学的系に応用可能でない。スペクトルの重なりは、ピーク高のみに基づくラマン画像からサンプルについての構造的若しくは化学的情報を得ることを困難にする。 The simplest way to display a Raman image is to plot the intensity of a specific Raman band or the ratio of two Raman bands. This analysis method uses only a small portion of the data, and most biological samples contain many compounds with similar spectral characteristics and are not applicable to biological systems. Spectral overlap makes it difficult to obtain structural or chemical information about a sample from a Raman image based solely on peak height.
これらの画像化技術すなわちPCA、MCR、ユークリッド距離および形態学的モデル化は、ラマンのみならず、しかしまた蛍光のような多くの他の分光学的画像化方法にも応用可能である。各方法はその利点および欠点を有する。いくつかは検査されているサンプルの前知識を全く(PCA)若しくはほとんど(MCR)必要としない一方、他者は若干の(ユークリッド距離)若しくは完全な(形態学的モデル化)知識を必要とする。製作される画質は通常、どれだけ多くの情報が既知であるかと関連する。 These imaging techniques, namely PCA, MCR, Euclidean distance and morphological modeling, are applicable not only to Raman, but also to many other spectroscopic imaging methods such as fluorescence. Each method has its advantages and disadvantages. Some require no (PCA) or little (MCR) prior knowledge of the sample being examined, while others require some (Euclidean distance) or complete (morphological modeling) knowledge . The image quality produced is usually related to how much information is known.
PCAは使用者からの最小の入力を必要とし、そしてその結果、新たな型のサンプルを検査するための最良のツールである。PCAはそれらのスペクトル分散に基づく領域を精密に示すのに使用される。それらが創製される数学的過程により、主成分はデータ中に存在するスペクトルの特徴の全部を説明する。しかしながら、主成分それら自身は数学的構築物であるため、それらは既知の化学物質と相互に関連付けることが困難若しくは不可能であり得る。この欠点にもかかわらず、PCAから得られる情報を使用して、乳房および動脈組織について開発された形態学的モデルのようなより洗練されたモデルを構築し得る。 PCA requires minimal input from the user and as a result is the best tool for inspecting new types of samples. PCA is used to pinpoint regions based on their spectral dispersion. Due to the mathematical process in which they are created, the principal components account for all of the spectral features present in the data. However, because the main components themselves are mathematical constructs, they can be difficult or impossible to correlate with known chemicals. Despite this drawback, information obtained from PCA can be used to build more sophisticated models, such as morphological models developed for breast and arterial tissue.
MCRもまた数学的に派生される一方、非負性制約を適用して、発生された基礎スペクトルがPCAにより生じられたものより多くの同定可能な特徴を有することを確実にし得る。事実、MCRを使用して決定されるスペクトルは真の化学物質スペクトルに非常に類似し得る。MCRの欠点は、検査されている系が複雑になるほど(とりわけスペクトルの特徴に大きな重なりが存在する場合)、解析を実施することがより困難になることである。当業者は、系が十分に単純である場合はMCRが失敗した場合に認識し得かつパラメータを相応して調節し得るが、しかし、これはより多くの成分スペクトルがサンプル混合物に追加される際により困難になる。加えて、より多くの曲線が複雑な系で解像される際にノイズがますますより大きな役割を演じる。にもかかわらず、MCRはサンプルのさらなる解析を指図するのに使用し得るスペクトルの線形を得るのに極めて有用である。 While MCR is also mathematically derived, non-negative constraints can be applied to ensure that the generated fundamental spectrum has more identifiable features than those produced by PCA. In fact, the spectrum determined using MCR can be very similar to the true chemical spectrum. The disadvantage of MCR is that the more complex the system being examined (especially when there is a large overlap in spectral features), the more difficult it is to perform the analysis. One skilled in the art can recognize if the MCR fails if the system is simple enough and can adjust the parameters accordingly, but this is when more component spectra are added to the sample mixture. Makes it more difficult. In addition, noise plays an increasingly larger role as more curves are resolved in complex systems. Nevertheless, MCR is extremely useful in obtaining spectral linearity that can be used to direct further analysis of a sample.
サンプルの成分のいくつか(しかし全部ではない)が既知の場合、ユークリッド距離が非常に有効である。例えば、検査中の特定の化学物質のスペクトルが既知であるがしかしバックグラウンド化学物質が未知であるサンプルを有することは珍しいことではない。この場合、ユークリッド距離は、バックグラウンドの知識の欠如により邪魔されずにサンプル内のその特定の化学物質の分布をマッピングし得る。 If some (but not all) components of the sample are known, the Euclidean distance is very useful. For example, it is not uncommon to have a sample where the spectrum of the particular chemical being tested is known, but the background chemical is unknown. In this case, the Euclidean distance can map the distribution of that particular chemical within the sample without being disturbed by the lack of background knowledge.
系の詳細な分析のため、とりわけ病理学のスライドガラスに類似の情報内容をもつ画像を製作するためには、形態学的モデル化が最良の技術である。しかしながら、良好な形態学的モデルの開発は時間がかかる可能性があり、かつ、他に依存しない多量のデータの取得を必要とする。モデルが不完全である場合、該画像はより少なく正確な情報を与える。従って、形態学的モデル化は、徹底的な研究が実施されておりかつモデル開発が実験の一部である場合に最良に使用される。ラマンスペクトル画像化は生物学的試料中の化学物質情報を決定するための強力なツールである。困難は、スペクトル情報の全部を十分に利用して最大の情報内容をもつ画像にそれを簡約することである。好ましい態様は、形態学的モデル化および画像化のアプローチ方法すなわちPCA、MCRおよびユークリッド距離を包含する。 Morphological modeling is the best technique for detailed analysis of the system, especially for producing images with information content similar to pathology glass slides. However, the development of a good morphological model can be time consuming and requires the acquisition of large amounts of data that is independent of the others. If the model is incomplete, the image gives less accurate information. Therefore, morphological modeling is best used when exhaustive research has been performed and model development is part of the experiment. Raman spectral imaging is a powerful tool for determining chemical information in biological samples. The difficulty is to fully utilize all of the spectral information and reduce it to an image with maximum information content. Preferred embodiments include morphological modeling and imaging approaches, ie PCA, MCR and Euclidean distance.
組織若しくは細胞の画像を製作するため画像化の様相とラマン共焦点顕微鏡検査を組合せる能力が好ましい態様に包含される。本発明の態様は、ラマン画像化を使用してリアルタイムで細胞以下の過程をモニターするために使用される。 A preferred embodiment includes the ability to combine imaging aspects and Raman confocal microscopy to produce tissue or cell images. Aspects of the invention are used to monitor subcellular processes in real time using Raman imaging.
図78A〜78Gは、本発明の好ましい一態様の、対応する位相差画像(F)とともにHT29細胞のラマン画像(A〜E)を具体的に説明する。ラマンスペクトルを、ホスファチジルコリン(A)、DNA(B)、コレステロールリノレエート(C)、トリオレイン(D)および形態学的に派生した細胞質(E)スペクトルと当てはめて細胞の化学的地図を製作する。G:対応するフィット(−)および残差(下、ゼロ線が引かれている)と一緒に画像Eに示された囲み内から取得したスペクトル(・)を示す。各モデル要素のフィットの寄与率を横に列挙する。 FIGS. 78A-78G specifically illustrate Raman images (AE) of HT29 cells along with corresponding phase contrast images (F), according to a preferred embodiment of the present invention. A chemical map of the cell is constructed by fitting the Raman spectrum with phosphatidylcholine (A), DNA (B), cholesterol linoleate (C), triolein (D) and morphologically derived cytoplasmic (E) spectra. . G: Shows the spectrum (·) acquired from within the box shown in image E together with the corresponding fit (-) and residual (bottom, zeroed). The contribution ratio of each model element is listed next.
図79A〜79Gは、本発明の好ましい一態様の、軽度にアテローム硬化性の動脈の位相差画像(AおよびG)を具体的に説明し、内部弾性板(IEL)およびコラーゲン線維をG中で強調している。コレステロール(B)、泡沫細胞および壊死中心(C)、IEL(D)、平滑筋細胞(E)、ならびにコラーゲン(F)のラマン画像もまた示す。IELの穿孔のような重要な形態学的特徴が観察され得る。 FIGS. 79A-79G illustrate phase contrast images (A and G) of mildly atherosclerotic arteries according to one preferred embodiment of the present invention, showing internal elastic lamina (IEL) and collagen fibers in G Emphasized. Also shown are Raman images of cholesterol (B), foam cells and necrotic centers (C), IEL (D), smooth muscle cells (E), and collagen (F). Important morphological features such as IEL perforations can be observed.
図80A〜80Gは、本発明の好ましい一態様の、形態学的に派生した成分すなわち細胞質(A)、細胞核(B)、脂肪(C)およびコラーゲン(D)の通常の最小二乗法当てはめに基づく正常乳管のラマン画像を具体的に説明する。画像EおよびFは単一のバンドすなわちそれぞれDNAのリン酸(1094cm−1)およびタンパク質に基づくアミドI(1664cm−1)ピークの強度をプロットする。ラマン画像(−)中の個々の画素(細胞性の内容物を含む領域に位置する)のスペクトルへの形態学的に基づくモデル(・)の当てはめの立証をGに示す。フィットの残差をスペクトルの下にプロットする(ゼロ線が引かれている)。 FIGS. 80A-80G are based on a normal least squares fit of morphologically derived components, namely cytoplasm (A), cell nucleus (B), fat (C) and collagen (D), according to one preferred embodiment of the present invention. A Raman image of a normal breast duct will be specifically described. Images E and F plot the intensity of a single band, the amide I (1664 cm −1 ) peak based on DNA phosphate (1094 cm −1 ) and protein, respectively. G shows the proof of fitting of the morphologically based model (•) to the spectrum of individual pixels (located in the region containing cellular content) in the Raman image (−). The fit residual is plotted below the spectrum (zero line drawn).
図81A〜81Eは、本発明の好ましい一態様の、コラーゲンにより分離されている複数の乳管単位を含む領域のラマン画像の4種の異なる解析方法の比較を具体的に説明する。最初の2主成分のフィット係数により製作した画像をAに示す。B:これは多変量曲線解像(MCR)により製作した2種の対応する画像を示す。C:これは形態学的モデルからのコラーゲン(左)および細胞核(右)のスペクトルを使用するユークリッド距離に基づく画像を示す。D中の画像は、形態学的モデルとの通常の最小二乗法当てはめにより生じさせたフィット係数を使用して製作し、コラーゲン(左)および細胞核(右)のみを示すが、しかし完全なモデルを使用した。E:画像を創製するために使用した基礎ベクトルを、上から下へ:最初の2主成分、MCRにより製作した対応するスペクトル、コラーゲンの形態学的に派生したスペクトルおよび細胞核の形態学的に派生したスペクトルを示す。最後の2スペクトルはユークリッド距離測定および形態学的モデル化双方で使用した。 81A-81E illustrate a comparison of four different analysis methods for Raman images of a region containing a plurality of ductal units separated by collagen, according to a preferred embodiment of the present invention. An image produced by the first two principal component fit coefficients is shown in A. B: This shows two corresponding images produced by multivariate curve resolution (MCR). C: This shows an image based on Euclidean distance using the collagen (left) and nucleus (right) spectra from the morphological model. The image in D was produced using the fit factor generated by the usual least squares fit with the morphological model and shows only collagen (left) and cell nucleus (right), but the complete model is used. E: Base vector used to create the image, top to bottom: first two principal components, corresponding spectrum produced by MCR, morphologically derived spectrum of collagen and morphologically derived cell nucleus Spectrum is shown. The last two spectra were used for both Euclidean distance measurement and morphological modeling.
図82Aおよび82Bは、本発明の好ましい一態様のA:第3列が白線により示されるラマン画像、ならびに(B)4種の異なるモデルすなわちPCA(△)、MCR(□)、ユークリッド距離(○)および形態学的モデル(×)を使用して得た示される列についての対応するフィット係数の高さを具体的に説明する。 82A and 82B show a preferred embodiment of the present invention: A: Raman image in which the third column is indicated by a white line, and (B) four different models: PCA (Δ), MCR (□), Euclidean distance (◯ ) And the corresponding fit factor heights for the indicated columns obtained using the morphological model (x).
本発明の原理を適用し得る広範な態様を鑑み、具体的に説明された態様は例示のみでありかつ本発明の範囲を制限すると解釈されるべきでないことが理解されるべきである。例えば、流れ図の段階は記述されたもの以外の順序で起きてよく、また、より多い若しくはより少ない要素をブロック図で使用してよい。好ましい態様の多様な要素はソフトウェアに実装されているとして記述した一方、ハードウェア若しくはファームウェアの実装の他の態様をあるいは使用してもよく、そして逆もまた真である。 In view of the broad aspects in which the principles of the invention may be applied, it is to be understood that the specifically described aspects are illustrative only and should not be construed as limiting the scope of the invention. For example, the flowchart steps may occur in an order other than that described, and more or fewer elements may be used in the block diagram. While the various elements of the preferred embodiment have been described as being implemented in software, other aspects of hardware or firmware implementation may alternatively be used, and vice versa.
汚染を測定および制御するための系および方法に関与する方法が、コンピュータで使用可能な媒体を包含するコンピュータプログラム製品で例示されうることが当業者に明らかであろう。例えば、こうしたコンピュータで使用可能な媒体は、その上に保存されたコンピュータで読み出し可能なプログラムコードセグメントを有するハードドライブ装置、CD−ROM、DVD−ROM若しくはコンピュータディスケットのような読み出し可能な記憶装置を包含し得る。コンピュータで読み出し可能な媒体は、ディジタル若しくはアナログ信号としてその上に運搬されるプログラムコードセグメントを有する光、有線若しくは無線のいずれかのバス若しくは通信リンクのような通信若しくは伝送媒体もまた包含し得る。 It will be apparent to those skilled in the art that the methods involved in the systems and methods for measuring and controlling contamination can be illustrated in computer program products including computer usable media. For example, such computer usable media include a hard drive device having computer readable program code segments stored thereon, a readable storage device such as a CD-ROM, DVD-ROM or computer diskette. Can be included. Computer readable media may also include communication or transmission media such as optical, wired or wireless buses or communication links having program code segments carried thereon as digital or analog signals.
生物学的組織の分光法のための系および方法についての作動環境は、最低1個の高速処理装置および記憶システムをもつ処理システムを包含する。コンピュータプログラミングの当業者の実務により、本発明は、別の方法で示されない限り、処理システムにより実行される操作若しくは命令の行動(act)および記号表示を参照して記述される。こうした行動および操作若しくは命令はときに「コンピュータ実行」若しくは「処理装置実行」されると称される。 The operating environment for systems and methods for biological tissue spectroscopy includes a processing system having at least one high speed processor and storage system. In accordance with the practice of those skilled in the art of computer programming, the invention is described with reference to acts and symbolic representations of operations or instructions performed by a processing system, unless indicated otherwise. Such actions and operations or instructions are sometimes referred to as “computer execution” or “processor execution”.
行動および記号で表示される操作若しくは命令は処理装置による電気的信号の操作を包含することが認識されるであろう。データビットをもつ電気的システムは、電気的信号表示の生じる変換若しくは低下、およびそれにより処理装置の作動を再設定若しくは別の方法で変えるための記憶装置中のメモリ位置のデータビットの管理、ならびに信号のその他の処理を生じさせる。データビットが管理されているメモリ位置は、該データビットに対応する特定の電気的、磁気的、光学的若しくは有機的特性を有する物理的位置である。 It will be appreciated that actions or instructions displayed with actions and symbols include manipulation of electrical signals by the processing device. An electrical system with data bits is a conversion or degradation of the electrical signal representation, and thereby the management of data bits at memory locations in the storage device for resetting or otherwise changing the operation of the processing unit, and Causes other processing of the signal. A memory location where a data bit is managed is a physical location having specific electrical, magnetic, optical or organic characteristics corresponding to the data bit.
本発明の好ましい態様は、ラマンスペクトルを収集するための側方観察プローブおよびあるいは前方観察プローブを包含する。好ましい態様は、組織からのラマン分布を特徴付けることにより系のスループットを完全に利用するための光学的設計を実装する。該態様は収集効率を至適化し、ノイズを最小にし、そして1秒で高品質データの収集が可能な小直径の高度に効率的なラマンプローブをもたらした。該態様の性能は、組織モデルおよび数種のin vitro組織型を用いるシミュレーションおよび実験で試験されて、これらの態様が臨床上実現可能な技術としてラマン分光法を進歩させ得ることを示した。本発明の好ましい態様は、乳房中の多様な病変に存在する微細石灰化の化学的組成若しくは構造の差異を強調するためにラマンスペクトルを使用する。該態様からの結果は、乳房疾患の発症および進行に付随する化学的変化の理解を進め、かつ、ラマン分光法を使用する乳房疾患の診断に重要なパラメータを提供する。 Preferred embodiments of the present invention include a side observation probe and / or a front observation probe for collecting Raman spectra. A preferred embodiment implements an optical design to fully utilize the system throughput by characterizing the Raman distribution from the tissue. The embodiment optimized the collection efficiency, minimized noise and resulted in a small diameter highly efficient Raman probe capable of collecting high quality data in 1 second. The performance of the embodiments has been tested in simulations and experiments using tissue models and several in vitro tissue types, indicating that these embodiments can advance Raman spectroscopy as a clinically feasible technique. Preferred embodiments of the invention use Raman spectra to highlight differences in the chemical composition or structure of microcalcifications present in various lesions in the breast. The results from this aspect will advance the understanding of the chemical changes associated with the onset and progression of breast disease and provide important parameters for the diagnosis of breast disease using Raman spectroscopy.
ラマンプローブを包含する好ましい態様は、良性および悪性病変で見出される微細石灰化を区別するラマン分光法の診断的潜在能力を示した。加えて、主成分分析(PCA)を使用して、良性および悪性の乳房病変に存在するII型の微細石灰化の化学的組成のわずかな差異を発見した。該結果に基づき、われわれは、乳房の良性病変に存在するII型の微細石灰化が、悪性病変で形成されるものより低いタンパク質およびより高い炭酸カルシウムの双方の化学物質含量を有すると仮定する。 Preferred embodiments involving Raman probes have shown the diagnostic potential of Raman spectroscopy to distinguish microcalcifications found in benign and malignant lesions. In addition, principal component analysis (PCA) was used to find minor differences in the chemical composition of type II microcalcifications present in benign and malignant breast lesions. Based on the results, we hypothesize that the type II microcalcifications present in benign lesions of the breast have both lower protein and higher calcium carbonate chemical content than those formed in malignant lesions.
データビットは、磁気ディスク、光ディスク、有機ディスク、および処理装置により読み出し可能ないずれかの他の揮発性若しくは不揮発性の大容量記憶システムを包含するコンピュータで読み出し可能な媒体に管理してもまたよい。コンピュータで読み出し可能な媒体は、処理システムで独占的に終了するかまたは処理システムに対しローカル若しくはリモートでありうる相互接続した処理システム間で分配される、共同若しくは相互接続コンピュータで読み出し可能な媒体を包含する。 The data bits may also be managed on a computer readable medium including magnetic disks, optical disks, organic disks, and any other volatile or non-volatile mass storage system readable by a processing device. . A computer readable medium is a collaborative or interconnected computer readable medium distributed between interconnected processing systems that can be terminated exclusively at the processing system or local or remote to the processing system. Include.
請求の範囲はそれを遂げることが述べられない限り、記述された順序若しくは要素に制限されるとして読まれるべきでない。従って、以下の請求の範囲およびそれに対する同等物の範囲および技術思想内にある全部の態様が本発明として特許請求される。 The claims should not be read as limited to the described order or elements unless stated to accomplish it. Accordingly, all aspects that fall within the scope and spirit of the following claims and equivalents thereto are claimed as the invention.
Claims (14)
近位端で光源に接続されかつ遠位端に第一のフィルターを有するプローブ中の送達光ファイバー;
近位端で検出器に接続されかつ遠位端に第二のフィルターを有する、組織からのラマン散乱光を収集するプローブ中の複数の収集光ファイバー;ならびに
第一のフィルターがロッドの近位表面に置かれた送達光ファイバーに接続されたロッドを有する光学モジュール、および第二のフィルターが円筒形チューブの近位表面に置かれた複数の収集光ファイバーに接続された円筒形チューブ、を包含するプローブの遠位端の光学系、であって、ロッドは、チューブの内部に置かれ且つロッドからチューブを光学的に隔離するスリーブによってチューブから分離され、光学モジュールは、収集光ファイバーの遠位端および送達光ファイバーを遠位光学素子からある距離に分離し、遠位光学素子は、反射または屈折光学素子を含む、光学系、
を含んでなる組織測定用プローブ。A fiber optic probe having a proximal end and a distal end;
A delivery optical fiber in a probe connected to the light source at the proximal end and having a first filter at the distal end;
A plurality of collection optical fibers in a probe for collecting Raman scattered light from tissue having a second filter at the distal end and connected to a detector at the proximal end; and a first filter on the proximal surface of the rod probe comprising an optical system including a connected rod delivery optical fiber placed module, and a second filter connected to a plurality of collection optical fiber placed on the proximal surface of the cylindrical tube is a cylindrical tube, the The distal end of the optical system , wherein the rod is placed inside the tube and separated from the tube by a sleeve that optically isolates the tube from the rod; Separating the optical fiber at a distance from the distal optical element, the distal optical element including a reflective or refractive optical element,
The including ing in the organization measuring probe.
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