CN100533127C - 高波数拉曼光谱学用于测定组织的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测定组织的拉曼信号的仪器，该仪器包括激光器、测定拉曼信号的信号检测装置和光纤探头，其中所述光纤探头包括一个或多个光导纤维，所述光导纤维用于将激光导向所述组织上和收集被组织散射的光并将所收集的离开组织的光导向所述信号检测装置，其中用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，而所述检测装置记录在上述光谱区的被组织散射的拉曼信号。本发明能够在活体外、体外和体内分析和诊断动脉粥样硬化斑块并检测肿瘤组织，相对现有技术具有很大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及用于测定组织的拉曼信号的仪器及其用途，该仪器包括激光器、信号检测装置和光纤探头。
发明背景
动脉粥样硬化是世界上许多地方造成死亡的重要原因。因此，已发展许多技术来获得血管中斑块的信息。成像技术例如血管造影术、磁共振成像、血管内超声和光学粘合性断层摄影术提供了关于斑块或血管阻塞的位置以及斑块的形态或内部结构的信息。然而，它们不能在体内详细分析斑块的分子组成。斑块的分子组成的信息对确定急性心脏事件的概率是重要的。将所谓稳定的斑块和易损的斑块区分，其中认为易损的斑块可以引起这些急性，常常致命的事件。这类事件是因斑块的薄纤维帽的破裂而促使得斑块的脂质群的内容物与血流接触，导致血栓形成和导致动脉阻塞。
已表明基于荧光的方法能够在体外区分正常动脉壁和动脉粥样硬化斑块。然而荧光光谱易于受到组织中和血液内的吸光分子的干扰，因此限制了其应用。
在所有获得关于动脉粥样硬化斑块组成的信息并且基本上可以应用于体内的所有方法中，血管内拉曼光谱学提供了最详细的信息。在拉曼光谱学中，在入射到被研究的样品上的光和无弹性地被该样品散射的光之间的斯托克斯频移以相对波数表示(Δcm-1＝(1/λ入射 的-1/λ散射的)10-2，其中λ(波长)以米计)。在拉曼光谱的约400和2000cm-1之间的波数区(所谓的指纹区)用于获得该信息。该光谱区含有许多可以辨别的谱带，它们单独地和/或组合地可用于获得关于组织的分子组成的信息。
由于该光谱区为分析或诊断提供信息，因此在动脉粥样硬化领域的研究仅涉及指纹区。这些研究的实例可参见如下论文：H.P.Buschman，E.T.Marple，M.L.Wach，B.Bennett，T.C.Schut，H.A.Bruining，A.V.Bruschke，A.van der Laarse和G.J.Puppels的论文，Anal.Chem.72(2000)，3771-3775讨论了通过血管内拉曼光谱学，使用多纤维探头在400-1800cm-1区域测定来在体内确定动脉壁的分子组成；R.H.Clarke，E.B.Hanlon，J.M Isner，H.Brody，Appl.Optics 26(1987)，3175-3177讨论了也是在指纹区的心血管组织内的钙化动脉粥样硬化损害的激光拉曼光谱学；和J.F.Brennan，T.J.Romer，R.S.Lees，A.M.Tercyak，J.R.Kramer，M.S.Feld、Circulation 96(1997)，99-105涉及了由在指纹区的拉曼光谱学测定人类冠状动脉组成。
拉曼光谱学的体内应用在大多数情况下需要使用小直径的柔性光导设备。例如可以将其引入到动脉的内腔。它必须能够到达和确认动脉粥样硬化损害的位置。它也可用于内窥镜的工作通道或者用于活检穿刺针或活检钳内。光纤探头(包括一个或多个光导纤维)必须将光导向所研究的组织、收集被组织散射的光并将该收集的光远离该组织运输到光谱分析设备。
遗憾的是，在400-2000cm-1光谱区，光导纤维材料本身产生拉曼信号，造成了强信号背景。而且，纤维的弯曲导致从核芯、包层和涂布材料获得的信号量的变化，另外使信号检测和信号分析复杂化。这些破坏了可以检测到的组织拉曼信号的信噪比，并且使信号分析复杂化，因此负面影响了临床实用性。因此需要在与组织接触或者邻近组织的光纤探头的远端或附近使用滤光片，从而抑制对检测到的组织拉曼信号的背景信号分布。然而，这样依次必需分布使用将激光导向组织的光导纤维，收集散射光和将散射光远离组织进行导向的光导纤维。另外经常需要使用光束控制排列或在光纤探头的远端的透镜以便在被激光照明的组织的范围与在可以收集到拉曼信号的组织的范围之间获得所需的重叠。因此拉曼光谱学用的光纤探头复杂。且难以小型化用于拉曼光谱学的光纤探头并难以保持其柔性，而小型化和柔性是在血管内使用和用于内窥镜的辅助通道中所必需的。这种复杂性使得它们的造价不能在医院中作为一次性物品使用。而且，组织在400-2000cm-1的信号强度低，需要相对长的信号整合时间，这样在临床使用可能不可行。所有上面提及的问题和缺陷阻碍了拉曼光谱学实际用于常规临床诊断，特别是应用于血管内诊断。
光以所谓结合模式通过光导纤维被传导。在这些结合模式中，电磁场主要位于光导纤维的核芯，小部分延伸到包层内。低级模式比高级模式更多地限制到核芯内。
由光导纤维导向的光强会被减弱。这是由于吸收、光散射(在纤维材料受损的位置或在较大不均匀性的位置的瑞利散射、散射/反射)以及小和大弯曲损失所引起的。
由于散射受到损失的激光离开纤维的核芯并通过涂布(和缓冲)层。涂布和缓冲层通常由硅酮、或塑料或聚合物材料制成。
US 5,293,872教导使用近红外(NIR)激光激发的拉曼光谱以区分正常动脉组织、钙化动脉粥样硬化斑块和纤维状动脉粥样硬化斑块。就700-1900cm-1区的体内测定而言，讨论了光导纤维束的使用。这将导致如上面讨论的相同的缺陷，例如噪音。
US 5,194,913发现多光纤的问题，但是也注意到因在光纤中产生的背景拉曼信号除在最短的纤维中是所有纤维中最强的这一事实，从而禁止使用单个纤维。它公开了使用两个相反纤维并使用滤光片以降低来自光纤的背景拉曼发射的光纤设备。该文献提及纤维中常见的信号的问题，并且很明显的是通过US 5,194,913提供的解决方案，即轴构造，不能容易地用于体内测定。
J.F.Aust，K.S.Booksh和M.L.Myrick的论文，AppliedSpectroscopy 50(1996)，382-386讨论了从样品(聚合物)获得的信号相对强的情形或进行特定测定的情形，例如增加由此所获样品-拉曼信号的测定范围，从而将得自聚合物的信号强度增加至大大高于从生物组织会获得的水平。这篇论文未讨论该方法用于组织的实用性，但是教导了为获得良好的信号，必须在光学探头的顶端使用高达4cm的填充有聚合物的特定Teflon管，以便获得良好信号。这种方法经常不能用于组织，特别是不能用于体内测定的情形。
仅次于动脉粥样硬化，癌症也是一个重要的健康问题。上面遇到的相同问题是经光纤由拉曼光谱学测定肿瘤细胞。US 5,261,410教导了使用纤维束在指纹区进行测定。这种使用也导致不能令人满意的信噪比。
由上清楚地知道需要一种测定组织的拉曼信号的仪器，它不存在上面提及的问题。
发明概述
本发明提供了一种仪器以及该仪器的用途，该仪器包括激光器、测定拉曼信号的信号检测装置、和光纤探头，其中光纤探头包括一个或多个光导纤维，所述光导纤维用于将激光导向组织和收集被组织散射的光并将收集的离开组织的光导向信号检测装置，所述纤维包括核芯、包层和任选存在的涂层，并且用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，并且其中检测装置记录在所述光谱区的被组织散射的拉曼信号。
附图简述
图1显示了拉曼绘图试验的结果(图1A)，其中得自动脉组织的薄切片的拉曼光谱是在较高波数区获得的，其能够鉴定具有不同分子组成的组织区域，并显示了相应的拉曼光谱(图1B)。
图2显示了可能存在于动脉粥样硬化斑块和动脉壁中的脂质和蛋白质的光谱：A：弹性蛋白、B：胆甾醇亚油酸酯、C：胆甾醇油酸酯、D：胆甾醇亚麻酸酯、E：胆甾醇棕榈酸酯、F：1型胶原、G：三亚麻油酸甘油酯、H：三油酸甘油酯、I：三棕榈酸甘油酯、J：胆固醇。
图3提供了通过拉曼光谱学和HPTLC(高效薄层色谱)测定的人类动脉段的脂质组成的比较。
图4显示了拉曼绘图试验的结果，其中在较高波数区获得得自经脑膜瘤(MG)浸润的人类硬膜的薄切片的拉曼光谱，其能够辨别这些组织(图4A)和相邻H&E(苏木精和曙红)染色部分(图4B)。
图5显示了拉曼绘图试验的结果(5A)，其中在较高波数区获得得自人类成胶质细胞瘤的薄切片的拉曼光谱，当与显示相邻H&E染色部分的图5B相比时，能够鉴定主要肿瘤区(V)和坏死区(N)。
图6显示了在较高波数区获得拉曼光谱的装配的示意图。
图7显示了用图6的拉曼装配测定的脂质混合物的光谱(A)。还显示了光纤探头本身的光谱(B，没有样品存在下在光导纤维的远端获得)和差值光谱C(A-B)。
图8显示了正常动脉壁(A)和动脉粥样硬化动脉壁(B)的拉曼光谱(t)、用图2所示的纯化化合物的系列光谱对这些光谱进行最小二乘法拟合的结果(f)和不由拟合光谱说明的包含于组织光谱所示信号中的残余物(r)。
图9显示了将拉曼光谱学与荧光和NIR-吸收光谱学结合的一个实施方式的示意图。
发明详述
本发明涉及一种仪器的用途，该仪器包括激光器、测定拉曼信号的信号检测装置、和光纤探头，其中光纤探头包括一个或多个光导纤维，它将激光导向组织上和收集被组织散射的光并将收集的离开组织的光导向信号检测装置，该纤维包括核芯、包层、和任选的涂层，并且用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，其中检测装置记录在所述光谱区的被组织散射的拉曼信号。
使用该设备的优点是，能够用拉曼光谱仪在体内和体外快速鉴定组织和患病的组织例如动脉粥样硬化斑块、肿瘤、癌前期组织和良性组织损害，并且为获得具有足够信噪比的拉曼光谱所需的信号收集时间减少。另一优点是，由于没有额外装置，例如不需要用于限制光谱通过光导的过滤器，因此可以容易地将拉曼测定与其它信息技术例如荧光测定、近红外吸收测定和视像技术结合，它们能够利用相同的光导，使用这些光导既将光导向组织和收集从组织散射的光又将其分别导回荧光或近红外检测装置，或者对此它们可以使用单独的光导。
本文描述的本发明基于以下惊人发现：仅在其拉曼光谱的2500-3700cm-1区通过记录和分析该薄组织横截面的拉曼光谱图，可以获得关于动脉粥样硬化斑块的组成和组成异质性的非常详细的信息，可以区分脑肿瘤组织与正常脑组织和颅组织，并且可以区分坏死脑(肿瘤)组织与主要肿瘤组织。
之前，该拉曼指纹区用于检测这些组织的类型(例如参见US5,293,872；US 5,261,410；Anal.Chem.72(2000)，3771-3775；Appl.Optics 26(1987)，3175-3177；Circulation 96(1997)，99-105)，但是并不知道上面提及的组织在该较高波数区也具有特征的和区别性的拉曼信号。选择该区域具有很大优点。就在拉曼光谱的指纹区的测定而言，必需使用特定滤光片抑制弹性散射的激光的强度，所述滤光片在接近激光波长的波长下深度弱化具有高透射的弹性散射的激光的强度。然而，在本发明中，在入射激光和高波数区的拉曼散射的光之间存在大的波长位移。这样在信号检测路径中使用非常简且不贵的吸收过滤器例如有色玻璃滤光片就可以抑制弹性散射的激光的强度。
一般说来，组织的拉曼信号的强度在该较高波数区显著高于(约5倍或更大的倍数)在400-2000cm-1区(指纹区)的，这样能够减少信号收集时间，例如也是约5倍或更大的倍数。
选择该区域的另一优点是这样能够记录组织的拉曼信号，使用单个光导纤维照亮组织并收集来自组织的拉曼信号，同时该组织的拉曼信号与在光导纤维中产生的背景信号相比，具有相当或更高的强度。一些纤维非常适合用于这种测定，这是由于与组织的信号相比，纤维本身在该波长区的拉曼散射很低或者可以忽略不计。这不同于指纹区，在实际使用长度几米的纤维的情形中，在相同构型下的光导纤维的背景信号经常具有比组织的拉曼信号高一个数量级的强度。
此外，在2500-3700cm-1区的一些类型的光导纤维的背景信号仅由作为波数移动的函数的与组织拉曼信号的强度变化相比强度变化非常小的信号组成，因此可以容易地与组织拉曼信号区分和/或用于信号分析中。在该指纹区，得自纤维的背景信号具有更尖锐的特征，使得信号分析更难。因此，在本发明的波数区的信号背景比指纹区的高得多。这是由于发现在拉曼光谱的较高波数区的纤维的拉曼信号不存在或显著减少，而在指纹区，正如现有技术中使用的，纤维也产生拉曼信号，干扰或者甚至超过组织或样品的拉曼信号。
特别是拉曼光谱的2700-3100cm-1区给上述组织提供了信息。因此，在本发明的一个优选实施方式中，该仪器的检测装置记录在2700-3100cm-1光谱区的一个或多个部分的拉曼信号。因此另一优点是现在仅需要记录小波数区的信号且可以使用具有较少通道的多通道光检测器。尽管2700-3100cm-1光谱区对检测特别有益，然而对组织中的病变，优选动脉粥样硬化斑块和癌的或癌前期的组织的检测、分析和诊断特别有益，本发明不排除在所述光谱区之外以获得其它附加信息的测定。本发明还包括在除2700-3100cm-1光谱区之外的其它光谱区(例如指纹区)收集拉曼信号的实施方式。
使用产生拉曼并检测的仪器的一个优点在于通过使用较高波数光谱区和仔细选择用于既将激光导向组织又将组织散射的光导离开的光导，使得对样品检测(特别是(体内)组织测定)、表征和/或对组织分类的拉曼光谱仪的复杂性降低。因此，本发明包括一种仪器的用途，其中光纤探头包括不仅将激光导向组织而且既收集由组织散射的光和将收集的离开组织的光导向信号检测装置的光导纤维。该实施方式还包括具有一些纤维的光纤探头，所述纤维既用于将激光导向组织又用于将被组织散射的光导离开。由于探头中一个、一些或者所有的这些纤维都能够起此作用，因此相对本领域用于组织表征的光纤探头(包括将激光导向样品并检测拉曼信号的不同纤维)的状态，可以减少光纤探头的尺寸。
另一优点在于用于体内血管的拉曼导管的尺寸甚至可以降低至仅使用1个光导纤维。这意味着例如血管内光纤探头的直径可以最大地降低并且可以获得光纤探头的最大灵活性，这对血管内使用的导管也是高度理想的。同样就其它希望应用小光纤探头的情形而言，也可以使用该仪器。
复杂性显著降低以及接之而来的纤维光学的制造成本的降低是另一优点。该纤维甚至可用作一次性物品，它对临床使用的血管内导管是特别理想的。
在本发明的另一实施方式中，拉曼测定可以与荧光和/或近红外吸收测定结合。因此，检测装置也包括用于测定荧光的检测器和/或测定近红外吸收的检测器。在该实施方式中，例如可以在荧光和/或近红外吸收测定中使用用于获得拉曼信号的纤维。
在又一实施方式中，仅使用一个光导纤维用于将激光(和(N)IR光)导向组织，以及收集被组织散射的拉曼信号、荧光和/或近红外信号、并将收集的离开组织的光导向信号检测装置，所述信号检测装置包括各自的检测器。
在另一实施方式中，可以使用多个纤维以获得强化的信号。该实施方式也包括使用一仪器，其中可以将拉曼测定与荧光和/或近红外吸收测定结合，并且其中检测装置也包括用于测定荧光的检测器和/或测定近红外吸收的检测器。在另一实施方式中，当荧光和/或近红外吸收测定使用用于获得拉曼信号的纤维时，探头的尺寸还可以降低。这里，“纤维”包括一个或多个纤维。这些纤维束可用于测定和/或扫描组织区域。其优点在于测定位置可以比现有的光纤探头的状态更聚集接近，从而提高分辨率。
小直径和高柔韧性赋予拉曼探头与其它感觉形式(例如用于血管内的血管内超声和肿瘤学应用的内窥镜)结合最好的可能性和加入用于获得组织样品的仪器(例如活检钳或获得细针抽吸的仪器)的最好可能性或与治疗形式(例如用于加热凝固组织、例如肿瘤组织的设备或手术器械)结合最好的可能性。因此，本发明还包括一种仪器，其中将部分纤维集成、或者与提供关于组织的其它信息的导管结合、或者包括用于获得组织样品的装置、治疗组织的装置和/或用于手术步骤的装置。
所有这些优点使得仪器操作更简单。因此该仪器能够在活体外、体外和体内分析和诊断动脉粥样硬化斑块和比目前现有技术更有优势地检测肿瘤组织。
在本发明的上下文中，“组织”是指人类、动物或植物源的组织，但是尤其是指人类或动物组织。组织包括人体或动物体的生物细胞或细胞、器官或部分，或者从人体或动物体提取的物质或是人体或动物体的一部分，并且例如可以是骨、血或脑。可以对组织样品进行测定，即可以体外或体内测定拉曼信号，通过激光器发出的光照射引出。如果组织具有一个或多个特性特征，这些特征包括但不限于，形态学的、化学的和遗传的特征，那么认为该组织属于特定临床诊断类型。它们可以典型地是某一病理状态。
纤维顶端可以在组织内或在组织上，但是也可以在组织附近，例如距几毫米。然而，当使用透镜将纤维的远端成像到组织上时，该距离也可以较大。在一些情况下，该顶端不能在样品上，例如当通过例如玻璃测定样品时。在这种情况下，该距离甚至可以是几厘米或更大。本发明的距离包括上述两种选择。
本发明的激光器是具有足够窄的线宽从而能够以足够的光谱分辨率测定样品所需的拉曼信号的任何单色光源，如激光器。大多数情况下的线宽优选低于5cm-1。这种光源的光束偶合到纤维内，并且该光放射到样品上。这种样品的拉曼信号可以通过用得自上述激光器源的光照射它而产生，前提是样品含有可以参与对入射光的拉曼散射的分子振动模式的分子。对组织的拉曼测定，优选激光器或源具有大于约600nm的发射，这是由于采用这种方式，对组织内入射的激光的吸收最小化而且组织的自发荧光也最小化。自发荧光引起拉曼光谱的背景信号，这样破坏检测到的拉曼信号的信噪比。源的实例例如有二极管激光器、He-Ne激光器和Ti-蓝宝石激光器等。
本发明中的“仪器”是指包括用于产生拉曼信号的激光器、光导纤维、和信号检测装置的组合的光谱仪。
光谱仪可以包括抑制导向光谱仪的光中具有与激光相同波长的光组分的强度的过滤器。该过滤器优选以8个数量级或更大抑制该光的强度，同时在相应的波数区对拉曼散射光的强度的抑制优选低于10％。由于使用较高波数光谱区，赋予了激光和相应波数区之间大的波长间隔，因此该过滤器可以是单色玻璃吸收过滤器，例如得自Schott的RG 780有色玻璃滤光片。两个厚度为3mm的上述过滤器(都可商购获得)串联将低于725nm的激光以10个数量级或更大程度地抑制，同时不会明显弱化相应的拉曼信号，除了在玻璃空气界面的反射损失之外。优选，在过滤器的进入面和离开面涂布对相应波长区最佳化的防反射涂层，以便在空气-玻璃界面使反射损失最小化。以这种方式可以容易地获得大于90％的拉曼信号的处理量。光谱仪优选没有移动零件，对NIR的处理量最佳化，并且具有优选至少8cm-1的分辨率。
然而，在一些情况下荧光可以理想地(参见上面)作为表征组织的信息源并与1个或多个纤维一起同时或连续测定样品的拉曼信号和荧光。在这样一个实施方式中，荧光激发光例如在蓝色或紫外线下可以具有小于600nm的波长。
信号检测装置优选包括检测器如多道CCD-检测器，使对NIR的光检测最佳化。这种检测器的一个实例是得自Andor-technology(Belfast，Northern-Ireland)的深度耗尽反照明CCD-照相机(deep-depletion back-illuminated CCD-camera)(DU401-BRDD)。相应的光谱区例如可以通过光栅或棱镜选择。记录的光谱优选即时通过专用软件和个人计算机显示和/或分析。
在本发明的上下文中，光导纤维定义为具有近端和远端的设备，它能够将光从近端导向远端。术语“纤维”包括一种或多种纤维。术语“光纤探头”包括一个光导纤维或一束光导纤维。
纤维探头的远端可以经成型或者安装有与其物理相连的微光学元件，以实现一定的照明方向和/或角度和/或实现一定的光收集方向和/或角度和/或来测定照明的样品表面和/或测定优选地检测到拉曼信号的样品范围的大小和/或位置。在用拉曼光谱学进行测定的领域中，这些探头通常含有一个激发用的纤维和至少一个纤维，但是经常有多个纤维将(拉曼)信号导向检测器。
光导纤维包含核芯和包层和通常一层或多层保护涂层。这种涂层(包括一个或多个涂层)在厚度上可以有很大的变化。文献称之为围绕光导纤维的包层的作为“涂层”或“缓冲层”的保护层。在本发明的上下文中围绕光导纤维的包层的所有单层或多层材料都称之为纤维涂层。有时施加一外壳以赋予额外的机械强度或防止纤维太紧密弯曲。外壳定义为其中插入光导纤维并给该纤维提供附加保护的硬性的或柔性的管。
与样品的信号相比，发现一些纤维特别适合用于这些类型的测定，这是由于这些纤维本身在该波长区的拉曼散射很低或者可以忽略不计。因此，该仪器包括在发现拉曼信号的光谱区中基本上没有拉曼信号的纤维。
在本发明的上下文中，“基本上”没有信号，和类似的表达，是指这种信号与通过该仪器测定的组织的信号相比类似或者强度要小，并且可以与组织的信号区分开，可以与其它信号区分开。例如，这种信号基本上不存在，或者例如小1个数量级。
优选纤维的实例是具有熔融二氧化硅核芯和熔融二氧化硅包层的纤维，例如得自Ceramoptec Industries Inc的WF200/220A光导纤维或得自3M Company的FG-200-LCR纤维或同类的纤维。一些纤维不被优选，例如得自Ceramoptec Industries Inc的WF200/220N光导纤维或得自3M Company的FT-200-EMR光导纤维，它们在相应的光谱区具有大的背景信号。
用光纤探头获得良好的结果，其中光纤探头包括至少一种具有低OH-熔融二氧化硅核芯的纤维。这种光导纤维含有非常少量的OH-，由此纤维在光谱的近红外区(为组织的拉曼测定的优选光谱区)的光吸收最小化。它例如可以是光纤探头，其中光纤探头包括至少一个具有熔融二氧化硅核芯和熔融二氧化硅或Teflon或TECS包层的光导纤维(在近红外具有高的透射比)，并且其中通过使用在2500-3700cm-1波数间隔固有很少或者基本上不产生信号的涂布材料，或者通过测定使涂层信号的产生和/或检测最小化，或者通过上述二者，从涂层获得低的背景信号分布。
在本发明的一个具体实施方式中，本发明涉及一种仪器，其包括激光器、测定拉曼信号的信号检测装置、和光纤探头，其中光纤探头包括一个或多个将激光导向组织和收集经组织散射的光并将收集的离开组织的光导向信号检测装置的光导纤维，其中光导纤维包括核芯、包层、和涂层，其中用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，并且检测装置记录在所述光谱区被组织散射的拉曼信号，其中检测装置基本上不测定由除组织之外的其它源产生的拉曼信号。这些源可以是光纤探头，例如核芯、包层、或这种光纤探头的或其中的光导纤维的纤维涂层。“不测定拉曼信号”是指检测装置或者不接收这种信号，或者不检测这种信号，或者两者都不。
在该实施方式的一个改变中，本发明涉及一种仪器，其包括激光器、测定拉曼信号的信号检测装置、和光纤探头，其中光纤探头包括一个或多个将激光导向组织和收集经组织散射的光并将收集的离开组织的光导向信号检测装置的光导纤维，其中光导纤维包括核芯、包层、和涂层，其中用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，并且检测装置记录在所述光谱区被组织散射的拉曼信号，其中检测装置基本上不测定由除组织之外的其它源产生的拉曼信号，并且基本上不测定由除组织之外的其它源产生的荧光。这里，荧光例如可以是由例如核芯、包层或涂层材料产生的荧光。
例如，已发现当使用720nm激光和长度为2m的光导纤维时，与从组织获得的拉曼信号相比，聚酰亚胺涂层(例如SFS200/210/233RTF纤维中涂敷的，由Fiberguide Industries，Stirling，New Jersey，USA销售)导致强的荧光背景。另一实例是WF200/220 P(得自Ceramoptec)，它是具有熔融二氧化硅核芯、熔融二氧化硅包层和聚酰亚胺涂层的纤维并显示强的荧光背景。由于该原因涂布聚酰亚胺的纤维不太适合本发明。
在一个实施方式中，检测装置基本上不测定除组织之外的其它源产生的拉曼信号的特征例如可以通过使用在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号的用于收集光的纤维获得。合适的核芯和包层的材料的实例是熔融二氧化硅和各种形式的掺杂的熔融二氧化硅。不合适的材料的实例是ZBLAN(例如，用于由INO，Sainte-Foy，Québec，Canada销售的纤维类型Z100FJ、Z100FV、Z120AI中)，当红或近红外激光(例如720nm)通过它时显示相对强的荧光，和塑料光导纤维，例如由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或聚苯乙烯制得的那些，和在高波数区显示强拉曼信号的其它材料。例如由于熔融二氧化硅、Teflon在高波数区不显示拉曼信号，因此由熔融二氧化硅核芯材料和Teflon包层组成的纤维(例如FLU型纤维，由Polymicro，Phoenix Arizona，USA销售)适合。蓝宝石基纤维不太适合，这是由于经常存在的铬污染和在光谱的红和近红外区会产生发光。这些纤维需要经过测试以确定纤维材料的荧光是否足够低至能够获得组织的良好的拉曼光谱。
优选地，涂敷到光导纤维的包层上的涂层材料在高波数区没有拉曼信号。实例是其中光导纤维的涂层包括一个或多个Teflon涂层和金属涂层(例如铝、铜或金)的实施方式。涂布金属的纤维可商购获得，例如可以从Fiberguide Industries(Stirling，New Jersey，USA)和Oxford Electronics(Four Marks，United Kingdom)商购获得。
可以使用除上述之外的其它涂层材料，但是通常需要额外进行测定，以便使这种涂层材料产生的背景拉曼信号的强度最小化。这种测定必须使离开粘合纤维模式并进入和通过涂层材料的光量最小化，其中产生涂层拉曼信号并且必须保证仅从纤维的核芯和在光导纤维的数值孔径内发出的光到达拉曼检测器。因此，在另一实施方式中，检测装置基本上不测定由除组织之外的其它源产生的拉曼信号的特征例如可以通过使用检测装置获得，其中检测装置基本上仅测定可以从光纤的核芯获得的信号。
例如，这可以通过使用本发明的仪器实现，其中激光偶合在光学探头(仅)的核芯的中心部分，并在尽可能小的数值孔径下。以这种方式激光最初以低等级模式与纤维结合，这是最少的耗损，并因此导致涂层材料最少地暴露于激光下并且因此产生最少的涂层拉曼信号。
在另一实施方式中，使用一仪器，其中激光偶合在光导纤维中的光导纤维的端面经抛光，以使表面的不完善最小化，从而没有显微镜下可见的表面不完善。这可以通过使用通常已知的可商购获得的纤维抛光设备实现。这样使得在纤维端面在激光不能以粘合模式被导向的方向的激光的散射最小化，并因此使涂层材料在激光下的暴露最小化。
在另一实施方式中，一种手段是涂敷第二涂层，其中纤维包括第一和第二涂层，第一涂层为包层上的涂层，第二涂层为第一涂层上的涂层，其中第二涂层包括激光吸收材料。在另一实施方式中，本发明涉及这种第二涂层，其中纤维包括第一和第二涂层，第一涂层为包层上的涂层，第二涂层为第一涂层上的涂层，其中第二涂层包括具有比第一涂层材料折射率高的折射率的材料，例如丙烯酸酯作为第一涂层和黑尼龙作为第二涂层的组合(如涂布于FiberTech，Berlin，Germany生产的AS200/220/IRAN纤维中的)。这种方法抑制了激光在第一涂层和空气之间的界面的多反射。取而代之的是光主要进入吸收它的第二涂层。这限制了激光通过涂层材料的径长并由此限制了产生的涂层拉曼信号的量。
另一种手段是尽量不使纤维弯曲，特别是不要弯曲得接近或低于厂商说明的最小弯曲角半径。弯曲引起光漏出粘合模式，这是公知现象，但是对本发明而言另一负面影响是产生涂层拉曼信号。为了获得纤维的最小弯曲，可以将其插入硬性的或柔性的管中，例如不锈钢单线管(Fiberguide Industries，Sterling，New Jersey，USA)，它机械地限制了弯曲。使用这种管的可能性取决于特定的组织特性应用所示的潜在限制。
信号检测最好如下进行，信号检测装置基本上检测从光导纤维的核芯并在纤维的数值孔径内的角度下发出的光。这可以伴随有所谓的空间过滤，其中使用一成像系统将纤维端面的图像产生于隔膜上，然后检测。隔膜的大小必须小于或等于纤维核芯图像的大小。以这种方式，仅通过纤维核芯离开纤维端面的光将透过隔膜。第二隔膜，可以放置在纤维端面和第一成像元件之间，可用于限制成像系统的数值孔径到光导纤维的数值孔径。
另一手段是在纤维端面上使用一掩膜，它仅使纤维核芯露出。
另一手段是除去纤维端面附近的涂层材料并用黑色环氧化物(例如Epotek，Billerica，Massachussetts，USA)覆盖包层，其中在纤维端面激光在约5mm或更长的长度内偶合进纤维中。这将吸收在到达纤维端面之前在纤维的涂层内随信号检测装置的方向前进的任意光。因此，在一个实施方式中，本发明还涉及一种仪器及其用途，其中光导纤维包括激光吸收端顶涂层，其中端顶被导向信号检测装置。
在一个具体实施方式中，纤维可以被连接(例如通过FC-连接器)以使纤维与激光非偶合光学装置和信号检测光学装置偶合。这样能够容易地交换纤维而不需再排列该系统。纤维的这种容易交换以及低成本便于将光纤探头作为一次性用品用于高波数拉曼分光镜的组织表征中。这样的优点是可以对探头杀菌并且包装，仅在组织表征应用之前即刻打开。研究完成之后探头可以丢弃，由此消除了接下来使用之前的重新消毒不足的危险。
由于激光在光导纤维的核芯和包层材料内的瑞利散射，因此不能完全防止涂层材料暴露于激光下。由于上述机理涂层材料暴露于激光下，也能够使涂层材料中产生的少部分拉曼信号再次进入纤维的引导模式中，此时不可能避免该纤维背景拉曼信号与组织的拉曼信号一起在研究下被检测。
因此，一般说来，优选在高波数区不能产生拉曼信号的涂层材料例如在上述涂布金属的纤维中。
就上述一些或所有附加手段而言，适当地可以使用其它涂层材料。例如，仪器中的光导纤维的涂层包括丙烯酸酯、Tefzel、TECS或硅酮。以这种方式，使用发出波长为720nm且激光器功率为100mW的激光器，涂布丙烯酸酯的纤维(例如FiberTech，Berlin，Germany制造的AS200/220/IRAN纤维和Fiberguide Industries，Sterling，New Jersey，USA销售的AFS200/220 Y纤维)中的纤维背景拉曼信号可以降低至可检测的水平，并且信号收集时间不大于10秒。
当由纤维光学设备发出的拉曼信号偶合到信号处理量为25％或更高的拉曼光谱仪时，这种激光器功率和信号收集时间足够以获得组织的高质量高波数拉曼光谱，所述拉曼光谱仪可从许多公司商购获得，并且使用近红外最佳化充电偶合设备(CCD)-检测器(例如可从Andor Technologies，Belfast，UK获得的反照明深度耗尽CCD-照相机)用于拉曼信号的检测。
合适纤维的其它非限制性实例是FG-200-LCR(其为具有熔融二氧化硅核芯(直径为200微米)、直径为240微米的熔融二氧化硅包层、直径为260微米的TECS涂层和直径为400微米的Tefzel缓冲层的纤维)、FT-200-EMT(也得自3M Company)为具有由TECS制得的包层的光导纤维、和WF 200/240 A(得自Ceramoptec)为具有丙烯酸酯涂层的熔融二氧化硅核芯/熔融二氧化硅包层纤维。
涂布硅酮的纤维不太优选。对几种涂布硅酮的纤维进行测定。尽管可以将硅酮背景信号降低至低水平，但是仍残有一些硅酮背景信号。这样可能限制某些依赖于组织的拉曼光谱的非常小的差异的应用。在2500-3700cm-1光谱间隔产生不利的背景信号的纤维的实例是WF 200/240 BN和WF200/240 BT，它们是具有熔融二氧化硅核芯和熔融二氧化硅包层和各自具有黑色尼龙的硅酮缓冲层和黑色Tefzel涂层的纤维(Ceramoptec)。
因此，根据本发明，提供用于收集光的纤维，它在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，可以由如下仪器实现，其中光纤探头包括至少一种纤维，或者其中光纤探头包括至少一个具有熔融二氧化硅核芯和熔融二氧化硅或Teflon或TECS包层的光导纤维，或者通过使用在2500-3700cm-1波数间隔固有产生很少或者基本上没有信号的涂布材料，或者其中光导纤维的涂层包括个其中光导纤维的涂层包括一个或多个Teflon涂层和金属涂层，或者该检测装置基本上仅测定可以从光纤的核芯获得的信号，或者该纤维包括第一和第二涂层，第一涂层为包层上的涂层，第二涂层为第一涂层上的涂层，其中第二涂层包括激光吸收材料，或者该纤维包括第一和第二涂层，第一涂层为包层上的涂层，第二涂层为第一涂层上的涂层，其中第二涂层包括具有比第一涂层材料折射率高的折射率的材料，或者该光导纤维包括激光吸收端顶涂层，其中该光导纤维包括激光吸收端顶涂层，或者其中激光偶合至光导纤维中的激光偶合在光导纤维中的光导纤维的端面经抛光，以使或者是以上所述的组合。
显而易见，该纤维对激光和相应的拉曼信号也具有足够的透射。优选的纤维对这些波长的激光和拉曼信号具有至少50％的透射，更优选大于90％。为了增加透射光，优选激光偶合到纤维中的纤维近端面涂布有对包括激光波长和测定拉曼信号的波长的波长区最佳化的防反射涂层。
该光纤探头也可以包括一束纤维，其中这些纤维没有涂层。这些纤维可以紧密地包装在一个光纤探头中。
在另一实施方式中，该仪器是在光纤探头的远端包括光学元件的仪器，目的是确定照明的样品的位置和/或体积和/或由此收集散射的光的位置和/或体积。
本发明中的斑块或动脉粥样硬化斑块是指脂肪物质在动脉管中聚集的病症。它可能存在于身体的任何动脉中，最经常存在于冠状动脉、颈动脉、主动脉、肾脏动脉和腿的末梢动脉。在组织中和/或上的斑块或动脉粥样硬化斑块在2500-3700cm-1光谱区显示一个或多个特征拉曼信号。这些拉曼信号尤其发现在2700-3100cm-1之间的光谱区的周围。
在一个优选实施方式中，该仪器包括在发现表征为动脉粥样硬化斑块的拉曼信号的光谱区中基本上没有拉曼信号的纤维。这些拉曼信号尤其在2700-3100cm-1之间的光谱区检测到。这也包括一种仪器，其中的纤维在检测特征是其中具有一种或多种脂质群、纤维状帽和/或存在巨噬细胞或胆固醇的拉曼信号的光谱区中基本上没有拉曼信号。这些化合物的拉曼信号的位置可以由本领域技术人员通过比较健康组织的拉曼光谱和受影响和/或含有这些化合物的组织的拉曼光谱而获得。基本上“在光谱区的一个或多个部分没有拉曼信号”是指在检测表征拉曼信号的光谱间隔的至少一部分，检测到纤维内产生的背景信号的强度与研究样品的拉曼信号的强度的数量级相同，或者更低，并且样品的拉曼信号可以容易地与该背景信号区分开。该仪器可以在2500-3700cm-1的整个光谱区测定，优选2700和3100cm-1，但是也可以选择该光谱区的一部分进行测定和分析和/或诊断。
在一个实施方式中，该仪器具有在检测特征为癌组织或癌前期组织，特别是脑癌的拉曼信号的光谱区基本上没有拉曼信号的纤维。在2500-3700cm-1光谱区，特别是在2700-3100cm-1之间的光谱区发现这些拉曼信号。“癌组织”是指包括癌细胞的组织。癌前期组织应理解为为癌组织前体的异常组织的组织。
通常，为了能够快速和/或自动分析，该仪器还包括分析记录的拉曼信号的信号分析装置。该分析包括涉及例如样品的分子组成和/或样品所属的临床诊断种类的输出数据的算法。
例如对血管壁或动脉粥样硬化斑块的分子组成的测定通过例如最小二乘法拟合步骤完成，其中测定的光谱用一系列已知的潜在存在于血管壁或斑点中的化合物的光谱拟合。然后由拟合系数获得有关分子组成的定量信息。或者，例如可以开发部分最小二乘法算法，它将精确地确定分子组成。为了检测癌组织，可以使用各种公知的多变量统计分析和/或神经网络分析方法，例如线性判别分析和人工神经网络。这些分析和/或诊断方法在本领域为已知，但是对研究的各自组织或样品将采用特定的参数。
包括信号分析装置的上述仪器非常适用于诊断疾病，例如动脉粥样硬化斑块和/或癌组织或癌前期组织。该信号分析装置可以提供关于正常的和动脉粥样硬化的血管壁的分子组成、动脉粥样硬化损害的临床诊断种类、纤维状帽厚度、在纤维状帽中的存在的巨噬细胞、脂质群的存在、大小和/或组成、胆固醇(酯)的存在、癌或癌前期组织的存在、主要肿瘤或坏死的信息，并且可以给以上每种中的一个或多个提供特定信号。
本发明还涉及该仪器用于测定组织样品的拉曼信号的用途，该测定在组织样品被切除或者生检之前、或者紧随切除或生检之后，优选组织样品被切断、生检或取自人体或动物体。在另一实施方式中，它用于选择生检或切除的组织。
在本发明的另一方面，它包括一种用于测定组织的拉曼信号的仪器，该仪器包括激光器、测定拉曼信号的信号检测装置和光纤探头，其中光纤探头包括一个或多个将激光导向组织并收集组织散射的光和将该收集的离开组织的光导向信号检测装置的光导纤维，其中用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，并且其中检测装置能够记录被组织散射的拉曼信号。
在一个实施方式中，光纤探头包括既将激光导向组织和收集被组织散射的光又将该收集的离开组织的光导向信号检测装置的光导纤维，并且其中纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号。
在本发明的另一方面，它包括用于测定组织样品的拉曼信号的方法，其中使用本发明的仪器并且其中组织样品在测定之前被切断、生检或取自人体或动物体，或者其中在切除或生检之后即刻获得组织的拉曼光谱。
本发明还包括用于产生和测定拉曼信号的方法，其包括将激光传送穿过光导纤维，通过光导纤维接收拉曼信号和由信号检测装置检测拉曼信号，特征在于将激光传送通过也接收拉曼信号的相同的光导纤维，将在2500-3700cm-1光谱区的一个或者多个部分基本上没有拉曼信号的光导纤维用于该方法中，并且其中信号检测装置测定在所述光谱区的拉曼信号。所述用于将激光放射到样品上的光导纤维的末端可以置于所述样品中，或者与所述样品接触，或者紧密接近所述样品。具有拉曼活性的样品产生的拉曼信号可以通过用于产生拉曼信号的相同的纤维检测。
在另一实施方式中，本发明还涉及用于产生和测定组织的拉曼信号的方法，其包括提供激光器、用于测定拉曼信号的检测装置和光纤探头，其中光纤探头包括一个或多个光导纤维，所述光导纤维将激光导向组织和收集组织散射的光和将收集的离开组织的光导向信号检测装置，该纤维包括核芯、包层和任选的涂层，输送激光通过该一个或多个光导纤维，从组织接收的拉曼信号通过一个或多个光导纤维和通过信号检测装置检测拉曼信号，用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，并且其中信号检测装置记录在所述光谱区的拉曼信号。在该实施方式的一个改变中，本发明涉及一种方法，它还包括输送激光通过也接收拉曼信号的相同的光导纤维，将在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号的光导纤维用于该方法。
在一个具体实施方式中，上述方法是一种通过测定拉曼信号分析组织的方法，其包括输送激光通过光导纤维的一端，将所述光导纤维的另一端置于相应的组织中，或者与其接触，或者与其紧密接近，通过光导纤维接收被样品散射的拉曼信号和通过信号检测装置检测拉曼信号，特征在于通过也接收拉曼信号的相同的光导纤输送激光，并将在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号的光导纤维用于该方法。如果需要的话，例如为了提高信噪比，对研究的组织进行多个拉曼测定。
在本发明方法的另一实施方式中，将检测装置的信号送到信号分析装置，信号分析装置分析记录的拉曼信号，该分析装置包括关于样品的分子组成和/或样品属于的临床诊断种类的输出数据的算法。
为了分析或进行诊断，可以使用几种方法以获取信息。例如，本发明包括一种方法，其中在获得相应组织区的测定之前，对相应区域中正常遇到的组织进行测定。但是它也包括一种方法，其中在扫描相应组织区域之前，对受特定疾病影响的组织进行测定，该测定在相应组织区域和相同光谱区或该区域的一部分进行检测。因此，为了确定这种拉曼信号是从正常组织还是患病组织获得的，包括对从相应的组织区获得的拉曼信号的评价方法。
本发明还涉及用于测定组织的拉曼信号的纤维类型适合性的评价方法，包括：
-使用本发明的仪器，
-在组织不存在下在纤维的远端下进行测定，
-在组织存在下在纤维的远端下进行测定，
-比较在有和没有组织存在下获得的光谱，
-推断纤维是否适合用于测定组织的拉曼信号。
当可以将组织的拉曼信号与纤维的拉曼信号(当存在纤维的拉曼信号时)区分开时，该纤维是合适的。
在本发明的另一方面，本发明涉及用于测定组织的拉曼信号的纤维类型适合性的评价方法，其中组织样品经切断、生检或取自人体或动物体之后进行测定，其中测定样品和空白的光导纤维的拉曼信号，并将样品的拉曼信号和空白的拉曼信号进行比较。
本发明的方法可用于诊断人体或动物血管壁组织、诊断存在发育不良的人类或动物组织、确定正常的和动脉粥样硬化的血管壁的分子组成、确定动脉粥样硬化损害的临床诊断种类、纤维状帽厚度、巨噬细胞在纤维状帽中的存在、脂质群的存在、大小和/或组成、胆固醇(酯)的存在、异常、癌或癌前期组织主要肿瘤或坏死的存在。
本发明的方法还可用于评价药物、食品或膳食食品的效果，或者对患病或健康组织的治疗。
本发明的方法和本发明的仪器也可用于皮肤诊断和皮肤分类，例如客观的皮肤分类。在年长皮肤、年轻皮肤和离体皮肤的高波数拉曼光谱之间存在显著差异。这些差异可归因于蛋白质、脂质和水的相对浓度的差异。因此纤维光学高波数拉曼光谱学具有以客观的方式区别不同皮肤类型和或皮肤特征的潜力。这种信息对个人护理产品和局部涂敷药品的开发和控制试验、以及个人消费者或患者对这些产品的最佳化选择有价值，这是由于不同皮肤类型对于这些产品的反应不同或者可能需要不同的配方来获得所需效果。
在本发明中，“组织散射的光”是指组织的拉曼散射。这不排除组织因激光激发也显示荧光。
使用该仪器通常不能直接作出决定和/或作出诊断。同样本发明的用途和方法不包含诊断所需的所有步骤，并且主要或仅仅提供临时结果。因此，本发明的诊断意指不能直接作出诊断的分析，或者能直接作出诊断的分析。
实施例
实施例1：动脉粥样硬化的动脉的拉曼绘图
本试验描述了在本发明的光谱区的拉曼光谱学用于研究动脉粥样硬化斑块的可能性。
用于产生图1所示拉曼图的人冠状动脉样品是在尸检时(死后不到24小时)获得的。将其在液氮中速冻并贮藏于-80℃下直到使用。为了拉曼测定，将一20μm厚的低温切片放置在氟化钙(CaF2)窗(Crystran UK)上并被动加热达到室温。拉曼测定之后用标准苏木精和曙红染色步骤对其染色。
为了收集拉曼光谱，使用得自氩离子泵送钛：蓝宝石激光器系统(Spectra Physics，Mountain View，CA)的719nm激光。使用的该拉曼微型光谱仪系统详细地描述于Van de Poll SWE，Bakker Schut TC，Van der Laarse A，Puppels GJ“In Situ Investigation of the ChemicalComposition of Ceroid in Human atherosclerosis by RamanSpectroscopy”J.Raman spectrosc.33：544-551(2002)。使用一工作距离为约1.6mm的80x NIR最佳化物镜(Olympus MIR-plan 80x/0.75，Japan)将激光聚焦到动脉部分，并收集组织样品散射的光。为了自动扫描组织部分，显微镜配备有一电动化、计算机控制的样品平台。为了获得整个象素的平均拉曼光谱，在每一测定期间通过激光焦点在两个横向方向扫描象素区。通过Grams/32 Spectral NotebaseSoftware(Galactic Industries Corp.，Salem，NH)控制拉曼光谱的采集和显微镜平台的移动。在显微镜目镜下的激光器功率为约40mW。
将带有组织的CaF2窗放置在显微镜下面。在二维栅格上移动计算机控制的样品平台，并以1秒/网格点的收集时间获得拉曼光谱。
使用三个已知的拉曼校准标准(4-乙酰氨基酚，(Sigma)、萘、环己烷(ICN Biochemicals))和氖和氖-氩灯的发射谱线，进行光谱的波数校准。使用已知温度的校准钨环灯校正光谱的宇宙线并校正设备的波数依赖性信号检测效率。接着，减去激光传递路径中得自光学元件的背景信号。
拉曼数据处理
为了所有数据处理，使用Matlab 6.1 version R12(Mathworks Inc.，Natick，MA)。
K-方式簇分析
使用主组分分析(Principal component analysis)(PCA)接着K-方式簇分析(K-means clustering analysis)(KCA)以非主观方式测定每一组织样品内的拉曼光谱不均匀性，并且没有假定动脉样品的形态学和组成的现有知识。使用这种簇分析算法发现具有类似光谱特征的光谱组(簇)。简言之，对光谱(2700-3100cm-1)的正常化第一衍生物进行分析以便消除拉曼信号的绝对强度的变化的任何影响并校正因组织的轻微自发荧光所致的轻微缓慢变化的信号背景。首先，对拉曼光谱进行PCA，以正交化和减少代表光谱数据集中的变量所需的参数的数量。计算前100个主组分，通常占信号变量的不高于99％。将对每一光谱获得的PC数用作KCA的输入量。光谱经KCA成簇的簇数由使用者定义。KCA之后，赋予每一簇特定的灰色色调。然后将拉曼图的每一栅格元件赋予其光谱所属的特定簇的灰色色调。以这种方式产生冷冻部分的灰色色调图像，其中具有类似光谱的区域具有相同的灰色色调。最后，计算每簇的平均拉曼光谱。
图1显示了拉曼绘图试验的结果，其中获得不固定的人动脉粥样硬化的动脉的薄组织横切部分在80 x 70个点的二维栅格中的光谱。从相同灰色色调的网格点获得的光谱之差比由具有不同灰色色调的网格点获得的光谱之差要小，它们是通过数据的K-方式簇分析确定的。因此具有相同灰色色调的网格点具有相似的分子组成。具有不同灰色色调的组织网格点在分子组成方面显示显著的差异。
A)4个簇的K-方式簇分析的结果。簇1与外膜脂肪一致。簇2与动脉壁一致。簇3和4与动脉粥样硬化损害一致。
B)簇1、2、3和4的簇平均的拉曼光谱。
图1B的光谱的差异、以及具有非常相似光谱的组织网络点的高度结构化定位(属于一个簇)描述了高波数拉曼光谱对动脉粥样硬化斑块在其分子组成方面的结构的敏感性。由该光谱可以经例如经典最小二乘法拟合步骤推导关于组织网格点的分子组成的信息，其中组织光谱由例如可以存在于组成的分离的化合物的光谱拟合。
图2显示了如下化合物的光谱：A：弹性蛋白、B：胆甾醇亚油酸酯、C：胆甾醇油酸酯、D：胆甾醇亚麻酸酯、E：胆甾醇棕榈酸酯、F：1型胶原、G：三亚麻油酸甘油酯、H：三油酸甘油酯、I：三棕榈酸甘油酯、J：胆固醇。该图显示了可以存在于动脉粥样硬化斑块中和动脉壁中的这些化合物，在相应的光谱区具有不同拉曼信号。使用如图1所示测定用的相同拉曼设备记录这些化学物质的拉曼光谱。
表1显示了由图2的纯化合物光谱对图1B的簇平均光谱1-4的最小二乘法拟合的和用于解释轻微倾斜背景的一级多项式的结果。使用非负的(是指仅允许正拟合系数)线性最小二乘法拟合路线，用这些纯化合物的拉曼光谱组拟合簇平均化拉曼光谱。在该拟合中引入一级多项式从而解释在拉曼光谱中的轻微(荧光)背景。将化合物光谱的非负的最小二乘法拟合分布的总和调整至100％。
显示的百分数涉及图2所示的蛋白质、胆固醇、甘油三酯和胆固醇酯光谱的相对信号分布。将不同胆固醇酯的信号分布加和(表1中的“总胆固醇酯”)、将不同甘油三酯的信号分布加和(“总甘油三酯”)以及胶原和弹性蛋白的加和(“总蛋白质”)。
表1：由含有动脉粥样硬化损害的动脉壁的不同区获得的胆固醇、胆固醇酯、甘油三酯和蛋白质信号的相对信号分布。
| 簇 | 位置 | 胆固醇 | 总胆固醇酯 | 总甘油三酯 | 总蛋白质 |
| 1 | 外膜脂肪 | 0％ | 11％ | 88％ | 1％ |
| 2 | 正常动脉壁 | 2％ | 0％ | 0％ | 98％ |
| 3 | 动脉粥样硬化损害 | 14％ | 33％ | 29％ | 24％ |
| 4 | 动脉壁周围损害 | 2％ | 21％ | 3％ | 73％ |
图3显示了通过拉曼光谱学和HPTLC(高效薄层色谱法)测定的人动脉切片的脂质组成的比较结果。58个约1cm2的动脉片段在拉曼微型光谱仪下扫描，同时收集较高波数区的拉曼信号(与图1和2的仪器相同)。在拉曼测定之后，从动脉片段中萃取脂质并通过HPTLC分析。将总脂质部分归一为100％。以57个片段的拉曼和HPTLC结果为基础部分最小二乘法分析模型并用于第58个片段的拉曼光谱，从而预测其脂质组成。将其结果与第58个片段的HPTLC分析进行比较。对这58个片段中的每一个进行重复上述仅对1个进行的评价。图3显示了确定人体动脉(就地)的脂质组成的较高波数拉曼法与相对重量分数的胆固醇、总胆固醇酯和总甘油三酯的HPTLC的比较。获得高校正系数(对胆固醇而言r＝0.95，对胆甾醇酯而言r＝0.93，对甘油三酯而言r＝0.96)。
该试验显示了本发明的光谱区中的拉曼测定提供了非常好的结果以及与HPTLC可比的信息，使得拉曼光谱学能够作为体内技术研究动脉粥样硬化斑块。
实施例2：癌组织的拉曼绘图
本试验描述了在本发明的光谱区的拉曼光谱学用于研究癌组织的可能性。
高波数区也可以有益地用于各种临床应用。例如，图4A显示了以与图1A的动脉粥样硬化损害的图相似的方式由脑膜瘤浸润的人硬膜的薄组织切片获得的拉曼图。目前还不能在手术中良好地评价切断边缘。然而，已知剩下的脑膜瘤组织可能导致肿瘤复发。图4B显示了在用苏木精和曙红染色(H&E染色)之后的相邻组织部分的图片。出人意料地，该部分的组织病理学评价及其与拉曼图的对比显示拉曼图的浅灰色区域对应于硬膜，而深灰色区域对应于脑膜瘤(MG)。
该试验显示了本发明的光谱区的拉曼测定可以给脑的癌组织提供有价值的信息，使得拉曼光谱学能够作为研究这种组织的体内技术。
实施例3：癌组织的拉曼绘图
本试验描述了本发明的光谱区的拉曼光谱学用于研究癌组织的可能性。
图5A显示了既有主要肿瘤区域又有坏死组织区域的人体成胶质细胞瘤的薄切片的拉曼图。出人意料地，经神经病理学家评价的拉曼图与H&E染色的相邻部分的比较，显示浅灰色区域对应于主要肿瘤组织，而拉曼图中的深灰色区域对应于坏死组织。
该试验显示了本发明的光谱区的拉曼测定给脑的癌组织提供了有价值的信息，使得拉曼光谱学能够区分主要肿瘤组织和坏死组织。
实施例4：拉曼光谱仪的图示
图6显示了一种特征拉曼测定和分析装置的示意图，包括：激光器100；偶合光学装置110，通过该装置激光随着第一光程105偶合到光纤探头120中，将该激光导向所研究的组织130并收集由组织散射的光和将其导回到偶合光学装置110；过滤器140产生从组织130的拉曼散射的光的光程145，相对来自激光器100的激光上述光的波长位移；过滤器150，用于将与激光相同波长的留在光程145中的光大大减弱；测定装置160，它在大量波长下测定拉曼散射的光的强度；信号存储设备170，它可以与测定装置160电连接并存储测定的强度；和信号分析设备180，它可以与或者不与信号存储设备170物理相连或者与信号存储设备170一致，并且分析测定的信号，例如提供关于组织130的分子组成的信息或者能够将组织分类，例如确定组织属于的临床诊断类型。该系统可以包括当与某组织相遇时提供听觉或视觉信号的装置。本发明并不限于这种构造；本领域技术人员可以根据其知识按希望或所需改变和/或选择组件。
实施例5：实现组织分析的步骤
本试验描述了使用高波数-拉曼光谱学实现组织分析的步骤。这些步骤可以以各种方式实施(因此下面描述的步骤是举例性的而不是限制性的)：
1)组织经光导纤维被照亮并将组织散射的光由该相同的光导纤维收集。
2)以相对检测器信道号的信号强度的形式记录收集的光的拉曼光谱。
3)将测定的光谱预处理然后最终分析，该预处理步骤可以包括检测器信道的波数校准、校正不同波数依赖性的信号检测效率、校正产生于拉曼测定系统的任意地方的，但不是由研究的组织产生的背景信号分布的测定光谱。
4)分析预处理过的光谱。作为一个实例，可以使用典型的最小二乘法分析，在该分析中测定的光谱用已知可能存在于组织中的化合物的光谱拟合，组织中该化合物的量对整个组织光谱足以有可检测到的分布以及例如也可以拟合带系数的多项式来最优地解释可能因例如样品内激发的荧光引起的拉曼光谱的缓慢改变的背景。当在拟合组织光谱之前，当化合物光谱进行强度分级时，除了实际上不同的效率可用于收集不同组织体积的信号并且组织的分子组成可能不同之外，含有等量这些化合物的样品的光谱拟合所得的化合物光谱的拟合系数将是相等的，在组织足够均匀的情况下，拟合系数的值直接与组织中各自化合物的重量百分比有关。如果不是这种情形，测定的组成仍然是定性的，与真实组成不一定定量一致。例如，由于动脉壁和动脉粥样硬化斑块在分子组成上不均匀，并且由于取决于探头的几何形状，拉曼信号将从不同组织体积由不同效率收集，并且由于在组织内信号衰减，具有潜在不同的分子组成的一些组织体积，将比其它组织更有效地提供信号。存在于组织内的化合物的重量百分比可以代表实际所需的信息，或者它们可用于检测组织类型和确定其临床诊断类型。测定特定化合物或化合物组的重量百分比的可选方法包括公知的部分最小二乘法分析。也可以使用其它多变量统计信号分析方法例如主组分分析、线性判别分析、对数回归分析，或者例如基于人工神经网络的分析来确定组织的临床诊断类型。
5)以视觉或听觉的形式输出所需数据以及存储具有适当参考性的数据以便未来评价和/或与其它数据交叉参考，例如测定位置的坐标，或者测定拉曼光谱的位置的图像，例如血管照片或血管内超声图像。
实施例6：脂质测定
图7显示了用图6的拉曼装置测定的脂质混合物的光谱(A)。特别是，激光器100是在720nm下发出激光的ti-Sapphire-激光器(3900S型，Spectra Physics，USA)。过滤器140是常规制备的介电过滤器(由Omitec，UK制造)，它透射720nm的激光并反射从样品回来的波长大于850nm的光。入射激光的方向和过滤器表面的法线方向包括15度的角度。透镜110是用于近红外的显微镜物镜(x20PL-FLNachet，数值孔径0.35)。光导纤维120是得自Ceramoptec的WF200/220A光导纤维。过滤器150是彩色玻璃过滤器RG780(Schott)。将过滤器150透过的光在具有1000微米的核芯的的光导纤维上成像，该光导纤维与核芯直径为100微米的64根光导纤维束相连。在该束的远端这些纤维以线阵排列并以这种方式将光导入光谱仪160。光谱仪160是Renishaw system RA 100成像光谱仪，配备有多道信号检测用的深度耗尽CCD照相机。还显示了光纤探头本身的光谱(B，在光导纤维的远端在没有样品时获得的)和差示光谱A-B，它描述了用单个适当选择的未过滤光导纤维，可以获得与在动脉粥样硬化损害中可能遇到的相似分子组成的样品的高质量光谱。
图8显示了正常动脉壁(A)和动脉粥样硬化动脉壁(B)的拉曼光谱(t)，显示了由图2中显示的纯化化合物的光谱组拟合这些光谱的最小二乘法拟合的结果(f)和拟合光谱未解释的组织光谱中含有的信号所代表的残余物(r)。正如拟合残余物的低强度可以看到的，组织光谱的拟合能够高度精确地描述所获组织的分子组成的详细信息。通过实例显示了该结果。例如，用于拟合组织光谱的化合物光谱组，可以由其它光谱或不同数量的光谱组成。
表2显示了图8A和8B中所示的光谱的动脉样品化合物或化合物组的重量百分比，它是由最小二乘法拟合分析的结果确定的。正常动脉的光谱由甘油三酯的信号分布控制，代表外膜脂肪信号，没有发现或者发现很少量的由胆固醇和胆固醇酯的信号分布，这与由含有得自胆固醇和胆固醇酯的显著信号分布的动脉粥样硬化的动脉所获得的信号相反。
表2：图8A和8B中显示光谱的动脉样品的化合物或化合物组的重量分数
| 正常动脉 | 动脉粥样硬化动脉 | |
| 胆固醇亚油酸酯 | 0.0078 | 0.3776 |
| 胆甾醇油酸酯 | 0 | 0.0532 |
| 胆甾醇亚麻酸酯 | 0.02 | 0 |
| 胆甾醇棕榈酸酯 | 0.0187 | 0.1155 |
| 三亚麻油酸甘油酯 | 0.0477 | 0.0235 |
| 三油酸甘油酯 | 0.7937 | 0.1436 |
| 三棕榈酸甘油酯 | 0.0032 | 0 |
| 胆固醇 | 0 | 0.1530 |
| 胶原 | 0.0633 | 0.0756 |
| 弹性蛋白 | 0.0456 | 0.0574 |
本试验显示本发明的光谱仪使得拉曼光谱学能够作为研究动脉粥样硬化斑块的体内技术，而且具有该光谱仪的上述益处。
实施例7：具有纤维测定荧光和或NIR吸收的仪器
图9图示了拉曼光谱学与荧光和NIR-吸收光谱学组合的一个实施方式。该实施方式显示了在图左侧的一个单纤维和经反射器偶合到纤维中的激发光。使用相同或另一反射器将荧光从所得信号中脱偶合出纤维用于检测。另外在右边，另一反射器将激光偶合到纤维中产生得自样品的拉曼信号。使用相同或另一反射器将拉曼信号脱偶合出纤维到检测器。在图的右侧，将NIR源的NIR光偶合到纤维内，并通过合适的检测器测定通过相同纤维导回的NIR信号。测定可以连续或者同时进行。显示的纤维也可以是一束纤维。为此目的，本领域技术人员将采用光学设备、源、检测装置等按照其目的测定组织或者所需的信息。
尽管上面描述了本发明的具体实施方式，但是应理解的是，本发明可以与所述不同地实施。例如，也可以将该仪器用于测定除组织之外的其它物种的生物分子，例如脂质等，例如用于分析牛奶、油等。这些描述和实施例并不限制本发明。
Claims (12)
1.用于测定组织的拉曼信号的仪器，所述仪器包括激光器、测定拉曼信号的信号检测装置和光纤探头，其中所述光纤探头包括一个或多个光导纤维，所述光导纤维用于将激光导向组织上和收集被组织散射的光并将所收集的离开组织的光导向所述信号检测装置，所述纤维包括核芯、包层和任选存在的涂层，并且用于收集光的纤维在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分基本上没有拉曼信号，而所述检测装置记录在上述光谱区的被组织散射的拉曼信号，所述仪器还包括分析所记录的在2500-3700cm-1光谱区的一个或多个部分的拉曼信号的信号分析装置，该分析包括输出有关组织的分子组成和/或组织所属于的临床诊断的类型的数据的算法。
2.如权利要求1所述的仪器，其中所述光纤探头包括光导纤维，该光导纤维既将激光导向组织上又收集被组织散射的光并将收集的离开组织的光导向信号检测装置。
3.如权利要求1或2所述的仪器，其中所述光纤探头包括至少一个具有低OH-的熔融二氧化硅核芯的纤维。
4.如权利要求1或2所述的仪器，其中所述光纤探头包括至少一个具有熔融二氧化硅核芯和熔融二氧化硅或Teflon或TECS包层的光导纤维。
5.如权利要求1或2所述的仪器，其中使用在2500-3700cm-1波数间隔内固有地极少或者基本上不产生信号的涂布材料。
6.如权利要求1或2所述的仪器，其中所述检测装置还包括测定荧光的检测器和/或测定近红外吸收的检测器。
7.如权利要求6所述的仪器，其中荧光和/或近红外吸收的测定使用获得拉曼信号所用的纤维，并且其中检测装置还包括测定荧光的检测器和/或测定近红外吸收的检测器。
8.如权利要求1或2所述的仪器，其中所述光纤探头包括一束用于测定和/或扫描组织区域的纤维。
9.如权利要求1或2所述的仪器，其中纤维的部分与导管集成或组合，所述导管提供关于组织的额外信息，或者包含获取组织样品的装置、处理组织的装置和/或在外科手术中使用的装置。
10.如权利要求2所述的仪器，其中光纤探头包含单个光导纤维。
11.评价用于测定组织的拉曼信号的光导纤维的方法，其中使用如权利要求1-10之一所述的仪器，其中组织样品经切断、生检或取自人体或动物体之后进行测定，其中测定样品和空白的光导纤维的拉曼信号，并将样品的拉曼信号和空白的拉曼信号进行比较。
12.用于测定组织的拉曼信号的纤维类型的适合性的评价方法，包括：
-使用如权利要求1-10之一所述的仪器，
-在纤维的远端不存在组织的情况下进行测定，
-在纤维的远端存在组织的情况下进行测定，
-比较存在和不存在组织的情况下获得的光谱，
-得出纤维是否适合用于测定组织的拉曼信号的结论。
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