發(fā)布日期：2017-02-14

近日，《自然》子刊《Nature Biomedical Engineering》推出了“機器學習”特刊，為我們介紹了機器學習在醫(yī)療領域的廣泛應用。我們今日也推出“機器學習”專題，將這些信息整理給讀者。下面，讓我們一起來看看人工智能結合受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS） 在腦腫瘤診斷及分類等領域的應用吧。

腦部腫瘤的診斷和治療取決于許多因素，其包括臨床發(fā)現、描繪腫瘤位置的神經成像研究和精確的神經病理學診斷。腫瘤樣本的神經病理學術中診斷對于神經外科醫(yī)生如何采用最佳的可能治療策略具有關鍵意義。組織病理學診斷的傳統方法所涉及的組織切片的樣品制備一般因循已經建立起來的固定和染色方案。這種方法已經實踐了幾十年，并已在準確識別腫瘤組織時可獲得良好結果。然而，這種方法是有局限性的：例如涉及術中腫瘤樣品的大小，無論是采用針式活檢還是核心取樣，特別是當考慮腦腫瘤的表型異質性時，診斷能力都可能受到影響。此外，考慮到罕見腦腫瘤具有挑戰(zhàn)性和很少被觀察到的組織病理特征，它們很可能被錯誤分類。最后，腫瘤樣品的處理在技術層面還可能引入假象。減少這些誤差源頭對準確腫瘤診斷最大化來說是非常關鍵的，并且理論上可以通過應用新鮮標本的術中診斷工具來實現，導致可靠的讀出數據和較少的處理時間。

▲臨床上使用的SRS顯微鏡（圖片來源：《Nature Biomedical Engineering》）

在這方面，受激拉曼散射（SRS）已經成為一種基于核苷酸、蛋白質和脂質光譜特性來精確區(qū)分不同組織特征的技術。SRS可用于依據DNA性質達到人類皮膚癌的快速診斷，并產生與傳統的蘇木精和曙紅（H＆E）制劑相當的圖像。此外，SRS圖像的性質，例如蛋白質/脂質比、神經軸突密度和細胞數量可以用于識別腦組織中浸潤性腫瘤細胞，精確度大于99％?，F在，通過利用機器學習，Daniel Orringer博士及其同事在《Nature Biomedical Engineering 》雜志中報告了首個使用SRS顯微鏡，用于快速產生腦腫瘤的診斷和亞分類的組織學圖像。該方法被稱為受激拉曼組織學（SRH），在手術室內使用一個特殊設計的SRS顯微鏡。

通常，兩個拉曼位移（?2845cm-1和?2930cm-1）是SRS成像的基礎。2845cm-1位移的圖像突出顯示組織切片中的脂質，并且從2930cm-1位移減去上述部分來顯示蛋白質和核苷酸的結構。通過向圖像分配兩種不同的顏色，這些特征足以來提供腫瘤浸潤和腫瘤邊界的清晰圖像。 Orringer博士和同事使用了相反的偽著色來產生H＆E樣圖像，這對病理學家來說更加熟悉。

▲患者腦組織標本的受激拉曼組織學（SRH）和常規(guī)蘇木精和伊紅（H＆E）組織學的圖像（圖片來源：《自然》）

Orringer博士及其合作者使用SRH掃描了來自101個神經外科患者的樣品，特別注意了正常和腫瘤組織獨特的細胞和形態(tài)學性質。檢查正常腦實質組織學特征的參考組織取自顳葉切除術后的前顳葉。SRH顯示許多獨特的特征，包括軸突、脂褐素顆粒和巨噬細胞浸潤，其有時可影響診斷。對于膠質瘤，SRH在低級和高級腫瘤之間顯示出明顯的差異，特別是在細胞程度、細胞核形狀，微血管增殖和核周暈圈方面。SRH還可用于測定腦膜瘤和淋巴瘤等非神經膠質來源的組織。

眾所周知，膠質瘤在組織病理學上是異質的，使得針對膠質瘤的單一小活檢可能不足以提供用于診斷的清晰圖片。在一個低級膠質瘤樣本中，Orringer博士及其同事展示了具有高細胞質密度的彌漫性細胞的組織學模式，但也顯示了超細胞性和顯示間變性特征的有絲分裂活性細胞的領域。由于SRH的快速周轉時間，該方法允許神經病理學家調查腫瘤的不同部分，以便獲得不同細胞類型和細胞行為的更全面的視圖。

考慮到組織病理學診斷的傳統方法涉及冷凍組織切片的H＆E染色，Orringer博士和共同作者必須驗證SRH產生的圖像的質量與以前的方法相當，為神經病理學家提供類似而不是增強的信息。作者對由三個檢查了SRH數據的神經病理學家進行的診斷進行定量分析。有趣的是，神經病理學家可以達到98％的準確度區(qū)分病變組織和非病變組織，以及來自非神經膠質腫瘤的膠質近乎100％的準確度。此外，在預測最終診斷時，觀察到的傳統H＆E診斷方法和SRH之間有接近完美的一致性，高達92％的準確度。

由于易于使用和快速處理時間短至2.5分鐘，SRH作為術中診斷工具有希望獲得臨床實施。得到針對新鮮組織實時反饋的優(yōu)點，使得SRH在手術期間成為神經外科醫(yī)生寶貴資產，并且可以幫助決定切除后患者的最佳治療選擇。使用術中拉曼探針的常規(guī)拉曼光譜允許在手術切除之前通過與組織接觸對樣品進行實時測量，以及用于可以與癌性或正常組織相關的光譜讀數。在將來，結合SRS和基于探針的系統可以提供診斷信息并影響外科決策。 盡管SRS和SRH的效用和安全性需要通過臨床試驗的驗證，但顯然拉曼光譜顯示出了在神經外科中改善診斷和治療功效的巨大潛力。

參考資料：

[1] Diagnostic imaging: Intraoperative virtual histology

[2] Rapid intraoperative histology of unprocessed surgical specimens via fibre-laser-based stimulated Raman scattering microscopy

來源：藥明康德