导言

近日，西安交通大学物理学院空间光学研究所的穆廷魁教授团队与西安交通大学第二附属医院消化内科秦斌医生合作，在消化道早癌检测领域取得新进展：提出了一种简洁的快照式偏振散射光谱内窥系统，仅由一根照明光纤和一根收集光纤组成。为实现快照式测量，首次提出仅由单个多级延迟器和线偏振片组成的光谱调制模块，并将其集成在内窥镜的远端位置，以编码偏振散射光谱。随后，使用先验约束的压缩感知算法对调制光谱进行解码，进而从多次散射光中分离出单次散射光的Stokes光谱。解码后的Stokes光谱可用于迭代反演细胞核的尺寸分布，但是迭代过程比较耗时。为避免迭代问题，基于散射的Stokes光谱，提出了一种新的癌症诊断指标——WSSL（Weight of single scattered light）。与传统的迭代方法相比，直接计算的WSSL省却了复杂的模型反演步骤，使得诊断更快、更准、更适用于临床环境。

研究成果以“Snapshot Polarized Light Scattering Spectrometric Fiberscopy for Early Cancer Detection”为题，于2024年8月1日发表于光学TOP期刊《Laser & Photonics Reviews》（五年IF:11.1，中科院1区）。

研究背景

胃肠道癌症是全球主要的健康挑战和致死原因之一，早期检测和治疗对提高生存率至关重要。内窥镜监测是识别早期病变的关键，但标准的白光内窥镜难以识别早期疾病的迹象，因为它仅复制人眼的视觉，使得医生难以准确识别需要切除的目标组织区域。早期癌症通常表现出异常的细胞核形态，如增大和拥挤的上皮细胞核，这被认为是癌症诊断的金标准。鉴于此，研究人员开发了偏振散射光谱系统（PLSS），这是一种非侵入性的光学工具，能够获取常规内窥镜无法提供的上皮细胞核的尺寸形态信息，在早期癌症检测中至关重要。然而，传统的PLSS技术在获取单次散射光时依赖于偏振片的旋转或两个偏振片的正交布局，降低了测量效率并增加了系统复杂度。更为重要的是，传统PLSS内窥系统需要使用三根光纤，其中一根用于照明，另外两根分别用于采集水平偏振和垂直偏振分量。这会导致两个问题：有效采集区域变小；非重叠区域带来的正交偏振信号混淆问题。尽管这些问题在文献中未受到足够重视，但在像素级别或小照明区域的PLSS信号检测时，这些问题会被放大，严重影响单次散射光的准确性，难以发展为具有成像功能的内窥镜体制。

针对上述挑战性问题，可以预见单光路PLSS内窥探头是潜在的解决方案。因此，在前期的研究中，合作团队首先提出了一种快照式单光路PLSS体外系统并验证了方法的可行性（Journal of Biophotonics 14, e202100140, 2021，内封面论文，），随后又提出了一种数据驱动的贝叶斯神经网络框架以加速早癌细胞核尺寸的反演（Optics and Lasers in Engineering 160, 107298, 2023）。在前期研究基础上，本研究（Laser & Photonics Reviews, 2400486, 2024）继续推出一种新型的简洁快照式单光路PLSS内窥系统，该系统利用单个多级延迟器+偏振器的调制模块，对偏振散射光进行强度调制，然后通过多模光纤以强度形式传输到内窥镜的另一端。通过解调实现了单次散射光的快照式获取。这一技术在一定程度上解决了传统PLSS内窥系统的问题，并为实现像素级的PLSS成像内窥镜技术带来了希望。

研究创新点

如图1(a)所示，在传统PLSS内窥系统中，一根照明光纤与两根收集光纤相邻，每根收集光纤的远端都集成了一个线偏振片，以确保一根光纤收集与照明光纤具有相同偏振状态的光，而另一根收集垂直偏振光；因此，这是一种典型的双光路光纤系统。如图1(b)所示，本文提出了一种新型的单光路光纤系统，由单根照明光纤和单根收集光纤组成。在此情况下，关键问题在于如何从原理上区分单次散射光。根据米氏散射理论，单次散射光谱对应于反向散射光中的第二Stokes分量S₁，如图1(d)所示。为了使用单根收集光纤有效地收集S₁分量，本论文首次引入了一种基于光纤的快照PLSS内窥镜技术，采用最简单的偏振光谱调制技术，如图1(e)所示。此外，首次引入了单次散射光权重（WSSL）作为快速癌症诊断的指标。

图1 快照式PLSS内窥技术。(a) 三光纤布局 (b) 双光纤布局 (c) 偏振调制模块 (d) 快照式偏振门控原理 (e) 快照式PLSS内窥系统光路图 (f) 散射光谱处理流程 (g) 快照式PLSS内窥实物图

快照式PLSS内窥镜的原理与设计

在偏振门控技术中，入射光通常是线偏振。因此，来自上皮组织的单次散射光保持与入射光平行的偏振状态，而来自更深层结缔组织的多次散射光会失去原来的偏振态，包含等量的平行偏振和垂直偏振成分，如图1(d)所示。通过从平行偏振分量中直接减去垂直偏振分量可以获取单次散射光。如图1(e)所示，双光纤快照式PLSS内窥系统包括一个照明路径和一个收集路径。照明路径包括一个宽带光源、一个耦合透镜组和照明光纤。收集路径包括收集光纤和光谱分析仪（OSA）。在两根光纤的远端，有一个偏振光谱调制模块（Snapshot Encoder），如图1(c)所示，其具有两个功能：起偏振和编码。在照明路径中，来自照明光纤的白光通过调制模块的上半圆非重叠区域，通过偏振片P后变成线偏振光，然后照射样品。在收集路径中，样品的准后向散射光首先通过调制模块的下半圆重叠区域，依次通过R和P。后向散射光的Stokes光谱S₀、S₁和S₃由调制模块（图1(c)）编码。然后，编码后的散射光（图1(f1)）以强度形式进入收集光纤，并由OSA记录。随后，使用压缩感知（CS）算法解调两个主要的Stokes分量S₀和S₁（图1(f2)）。最后，从解调的Stokes光谱中计算出单次散射光谱ΔI（图1(f3)）和诊断参数WSSL（图1(f6)）。

实验结果

为了验证所提出技术的性能，该研究对手术切除后的16个胃肠道组织进行了测试，并用WSSL参数对82个测试点进行了诊断。图2展示了获取诊断参数WSSL和用病理学对样本进行分类的过程。

图2 获取诊断参数WSSL和组织样本标记的流程

图3给出了所有样品的诊断结果，在正常组织(46个测试点)中，WSSL诊断结果与所有测试点的组织病理学结果一致，而在癌变组织(36测试点)中，WSSL诊断结果与33个部位的组织病理学结果一致，总准确率为96%，敏感性为91.7%（95%置信区间为76.4-97.8%），特异性为 100%（95%置信区间为90.4-100%）。该系统的创新设计和WSSL诊断参数的引入，使得PLSS技术在临床应用中展现出潜在的实用性和高效性，为癌症的早期发现提供了新的手段和方法。

图3 WSSL参数诊断结果。颜色代表组织病理学诊断：红色代表癌症，蓝色代表正常。蓝色虚线代表WSSL阈值，虚线以上区域代表癌变，虚线以下区域代表正常

总结

本论文提出了一种新型的快照式PLSS内窥镜技术。为促进快照式PLSS技术的应用，本文引入了一种新的诊断参数WSSL。较高的WSSL值表明上皮细胞中具有较大的核密度和尺寸，提示癌症的可能性较高。通过对多组健康和癌变组织的验证，证明了WSSL参数能够有效区分癌变组织和正常组织。WSSL参数有望革新诊断程序，在早期癌症检测中具有广阔的应用前景。未来，我们将深入研究WSSL与癌症进展的相关性，进一步优化其在癌症特定阶段诊断中的应用。

论文及作者信息

西安交通大学物理学院博士生 阿卜杜萨拉木Ÿ图尼亚孜 为论文第一作者，西安交通大学物理学院穆廷魁教授和西安交通大学第二附属医院秦斌医生为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西数理基础科学研究项目等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202400486

鉴于我们的研究进展，合作团队最近受邀为国内知名光学期刊《红外与激光工程》撰写题为“计算散射光谱术赋能早癌检测研究进展”的综述论文，详述了基于上皮散射光的早癌诊断方法，以供参阅。