无损光学法测量胃壁组织对KTPNdYAG激光的光学特性的差异

1、无损光学法测量胃壁组织对KTP/Nd:YAG激光的光学特性的差异                 【摘要】 目的 研究人正常胃黏膜及黏膜下层组织对532nm和1064nm波长的KTP/Nd:YAG激光的光学特性及其对不同波长的激光的光学特性差异。方法 实验采用激光斜入射式空间分辨反射光和CCD探测器以及非线性拟合确定组织光学特性。结果 正常人胃黏膜/黏膜下层组织对1064nm的激光的吸收系数(0.145±0.004)mm-1明

2、显地较其对532nm的激光的吸收系数(0.314±0.008) mm-1要小(P0.05)，组织样品对1064nm的激光的约化散射系数(0.713±0.019)mm-1明显地较其对532nm的激光的约化散射系数(1.49±0.04)mm-1要小(P0.05)，组织样品对1064 nm的激光的光学穿透深度(1.73±0.05)mm明显地较其对532 nm的激光的光学穿透深度(0.814±0.021)mm要大(P0.05)，组织样品对1064nm的激光的漫射系数(0.436±0.011)mm明显地较其对532 nm的激光的漫射系数(0.2

3、08±0.006)mm要大(P0.05)。结论 正常人胃黏膜/黏膜下层组织对1064 nm的激光的吸收系数与其对532 nm的激光的吸收系数的差异为53.8%，其对1064 nm的激光的约化散射系数与其对532 nm的激光的约化散射系数的差异为52.2%，其对1064 nm的激光的光学穿透深度与其对532 nm的激光的光学穿透深度的差异为113%，其对1064 nm的激光的漫射系数与其对532 nm的激光的漫射系数的差异为110%。【关键词】 人胃黏膜/黏膜下层组织；光学特性差异；激光；CCD探测器；空间分辨漫反射光Noninvasive measurements for diffe

4、rences in optical properties of stomach tissues at KTP/Nd:YAG laser using optical methods【Abstract】 Objective The study is to determine the optical properties and their differences for normal human stomach mucosa/submucosa tissues in vitro at 532 and 1064nm KTP/Nd:YAG laser.Methods The measurements

5、were performed using a CCD detector，and the optical properties were assessed from the measurements using an obliquely incident laser beam，and spatially resolved reflectance，and nonlinear fitting of diffusion equation.Results The absorption coefficient，(0.145±0.004)mm-1 of normal human stomach m

6、ucosa/submucosa tissues at 1064 nm is obviously smaller than that (0.314±0.008) mm-1 of the tissue samples at 532 nm (P0.05)，and the reduced scattering coefficient (0.713±0.019) mm-1 of the tissue samples at 1064 nm is obviously smaller than that (1.49±0.04) mm-1 of the tissue samples

7、 at 532 nm (P0.05)，and the optical penetration depth (1.73±0.05) mm of the tissue samples at 1064 nm is obviously bigger than that (0.814±0.021) mm of the tissue samples at 532 nm (P0.05)，and the diffusion constant (0.436±0.011) mm of the tissue samples at 1064 nm is obviously bigger

8、than that (0.208±0.006) mm of the tissue samples at 532 nm (P0.05).Conclusion The difference in the absorption coefficient for normal human stomach mucosa/submucosa tissues between 1064 and 532 nm is 53.8%，and the difference in the reduced scattering coefficient for tissue samples between 1064

9、and 532 nm is 52.2%，and the difference in the optical penetration depth for tissue samples between 1064 and 532 nm is 113%，and the difference in the diffusion constant for tissue samples between 1064 and 532 nm is 110%.【Key words】 human stomach mucosa/submucosa tissue; difference in the optical prop

10、erties; laser; CCD detector; spatially resolved diffusive reflective light癌症的85%以上都起源于人体的内表面的上皮内层组织，大多数这些上皮内层组织的损伤如果能在早期得以确诊是容易治疗的1。胃癌是常见的消化道肿瘤，早期病变多发生在黏膜层，然后逐渐向黏膜下层及更深层组织侵犯2。研究表明，人胃上皮内层、黏膜及黏膜下层组织的损伤常常是导致胃部病变的原因，如，慢性萎缩性胃炎(Chronic atrophic gastritis，CAG)、应激性胃黏膜病变以及胃癌等。随着激光技术和内镜技术的不断发展，利用激光技术和内镜技术进行消化

11、系统的临床诊断和治疗已逐渐成为消化系统疾病诊断和治疗的重要手段。例如，Nd:YAG激光在内窥镜下照射胃壁周围浅露血管和溃烂胃黏膜治疗胃溃疡3，Nd:YAG激光经胃镜治疗胃息肉等有较好的疗效4。可见，人胃黏膜/黏膜下层组织对Nd:YAG激光的光学特性对于激光应用于胃肠道的医学诊断和临床治疗是非常重要的，因为光在生物组织中传输与生物组织的光学特性密切相关，在生物组织中由光辐射所产生的空间分辨漫反射和透射特性含有组织的组份和结构等信息。在生物医学光子学的研究及其应用中，测量组织表面的漫反射率和透射率是组织光学特性非入侵法测量的一个非常关键的问题59。目前，测量由于光辐射在生物组织表面反射率或透射率的

12、方法很多，最为常见的是采用稳态光的空间分辨技术联合光纤技术探测组织表面的漫反射光10，11，但由于光纤探测器与组织接触所产生的压力导致获取的组织光学特性参数的误差，以及难以准确测量入射光斑中心及其周边微区的漫反射光等的限制，而Wang等12和Zijp等13以及Fabbri等14采用激光斜入射式稳态光的空间分辨技术联合CCD（Charge Coupled Device）数字视频照相技术测量生物组织表面的漫反射光来获取组织光学特性参数的方法是非入侵测定生物组织光学特性参数的新技术，其具有无接触、非入侵、在体、原位、可视化和实时探测等优点，若联合内镜技术和激光技术可作体内局部组织光学特性的探测、临床

13、诊断和治疗等。本文采用斜入射的稳态光的空间分辨漫反射率技术以及非线性最小二乘法获取人胃黏膜/黏膜下层组织对1064nm的Nd:YAG激光的光学特性参数，并与其倍频激光532nm的KTP激光的光学特性参数进行分析和比较，为激光应用于胃肠道黏膜/黏膜下层组织的诊断和治疗提供 （无损光学法测量胃壁组织对KTP/Nd:YAG激光的光学特性的差异(2) 一点有益的参考数据。1 材料与方法1.1 材料 样品的制备：实验用组织样品来自10个手术切除的人新鲜离体正常胃壁组织，每个手术切除的胃组织样品被立即用生理盐水作简单冲洗掉表面的血液，并尽快将样品用生理盐水保存至超低温（-75）冰箱速冻冷藏。实验前，将所有

14、组织样品用冰冻切片机切割，生成10个面积为25mm×25mm、厚度为(10.7±0.3)mm的自然组织样品的厚度(平均值)，然后分别将组织样品在自然状态及室温为20环境下分别进行光学特性的测量，从手术切除到样品准备和测量全过程在22h内完成。1.2 方法 组织漫射常数和漫反射率测量及其实验装置生物组织的空间分辨反射问题的实验和理论研究已有许多的研究报道1215，研究表明，测量生物组织的空间分辨反射率能够定量地反演生物组织的吸收和散射特性，其已被广泛应用到医学领域的血氧计16、光动力学疗法17以及血糖监测18。从空间分辨漫反射率测量数据反演生物组织的光学特性参数，需要建立实验

15、测量数据与光学特性参数相关的理论模型，通过非线性拟合的方法反演所测量的生物组织的光学特性参数。以连续光斜入射到半无限大生物组织表面时，根据漫射理论，并使用外延边界条件和镜像光源的方法，可得到在圆柱坐标系中漫射光在生物组织表面的径向分布12，19，其中，eff是有效衰减系数，是光学穿透深度      ，D是漫射系数，设生物组织的折射率为ntissue=1.4，环境的折射率为nambient=1，i是入射光束的入射角。通过测量生物组织表面的漫反射率R分布、入射光束的入射角(i)以及入射光束在组织表面形成的光斑的中心到组织表面的漫反射光形成的圆形图案圆心之间的

16、距离x，则可计算出漫射系数D，然后采用非线性最小二乘法对式(1)进行非线性拟合获取有效衰减系数eff，则可反演所测量的生物组织对入射光的吸收系数和约化散射系数及其他光学参数。测量生物组织的漫射常数和漫反射光分布的实验装置见图1所示。辐照光源分别为KTP/YAG激光治疗机(Laserscope，USA，model SL20/50)分别输出532nm和1064nm波长的激光，这两个波长的激光分别被25倍扩束镜扩束、准直后通过光衰减器(Attenuation Filter)衰减到不大于5mW，激光经反射镜(Mirror)反射后经过2.0mm光栏(Pinhole)和焦距为35.2 mm的透镜(Lens

17、)后以与组织界面法线方向分别成45°度角和接近0°角度入射到胃壁的上皮组织表面，用二维CCD探测器(Nikon，Cool Pix，Japan)分别对以这两个角度入射的光在组织表面产生的漫反射光摄取图像，分辨率为795×596像素。然后，移动组织样品，改变入射光到达组织的入射点重复摄取图像十次(曝光时间约为0.8 s)，以减小组织样品不均匀对成像测量的影响，由CCD探测器获取的图像信号经CCD控制器(CCD Controller)输送到电子计算机(PC)进行图像分析和数据处理。采用CCD摄取图像所需的入射光的光功率较小，通过增减衰减片或调节激光的输出功率以防止CCD

18、探测器的饱和，调节透镜可改变入射光束的直径以达到最佳的成像效果。实验摄取的图像的分析和数据处理采用MATLAB软件编写的图像分析系统，该系统可直接对CCD探测器摄取的彩色24 位图像和黑白8 位图像进行分析处理，也可对二维图像直接读取x或y轴方向以及任意方向的光强或光强分布以及读取任意点的坐标并以数据文件(dat)形式储存实验数枯，用纯文本文件形式把实验摄取的光强分布值与空间坐标的对应关系以数据形式给出，通过对45°和接近0°入射角入射的光在组织表面产生的漫反射率的峰值对应的坐标的分析获取峰值的位移x，并对所测数据取均值。该系统操作简单，能通过电子计算机即时分析处理CCD探

19、测器获取的图像。1.3 统计学方法 组织光学参数以均数±标准差(x±s)表示，采用t检验，P0.05为差异有显著性，利用统计软件SPSS10作统计处理。2 结果分别用532nm和1064nm波长的激光以及分别以45°角和接近0°角度入射到组织表面，激光辐照组织样品的表面所产生的漫反射光被CCD探测器摄取图像，整个实验在相同的实验条件下，总共10个组织样品分别被每个波长的激光辐照以及CCD探测器摄像，每个样品对每个波长的激光被重复摄取图像十次来获取每个测量值，每次测量后便改变激光辐照样品上的光斑位置进行下一次测量，每个样品对特定波长的激光的测量结果具有很好

20、的重复性，测量组织样品所得到的组织光学特性参数用(X±SD)表示。表1表示人胃黏膜/黏膜下层组织对KTP/Nd:YAG激光的吸收系数a、约化散射系数s、光学穿透深度、漫射系数D。（略）3 讨论测量结果获取了人胃黏膜/黏膜下层组织对532nm和1064nm的KTP/Nd:YAG激光的吸收系数a、约化散射系数s、光学穿透深度、漫射系数D。我们的研究重点在探讨人胃黏膜/黏膜下层组织对532nm和1064nm的激光的光学特性以及其对两个不同波长的激光的光学特性的差异，下面作详细的讨论和分析比较。从实验结果可得，正常人胃黏膜/黏膜下层组织对1064nm的激光的吸收系数(0.145±0

21、.004)mm-1明显地较其对532nm的激光的吸收系数(0.314±0.008)mm-1要小(P0.05)，可见，其对1064nm的激光的吸收系数与其对532nm的激光的吸收系数的差异为53.8%。组织样品对1064nm的激光的约化散射系数(0.713±0.019)mm-1明显地较其对532nm的激光的约化散射系数(1.49±0.04)mm-1要小(P0.05)，可见，其对1064nm的激光的约化散射系数与其对532nm的激光的约化散射系数的差异为52.2%。组织样品对1064nm的激光的光学穿透深度(1.73±0.05)mm明显地较其对532nm的激

22、光的光学穿透深度(0.814±0.021)mm要大(P0.05)，可见，其对1064nm的激光的光学穿透深度与其对532nm的激光的光学穿透深度的差异为113%。组织样品对1064nm的激光的漫射系数(0.436±0.011)mm明显地较其对532nm的激光的漫射系数(0.208±0.006)mm要大(P0.05)，可见，其对1064nm的激光的漫射系数与其对532nm的激光的漫射系数的差异为110%。这结论对Nd:YAG激光应用于胃肠道、特别是胃肠道上皮内层组织的临床诊断和治疗及其作用机理的 （无损光学法测量胃壁组织对KTP/Nd:YAG激光的光学特性的差异(4

23、) 探讨提供有益的参考。【参考文献】1 Y L Kim，Y Liu，R K Wali，et al.Simultaneous measurement of angular and spectral properties of light scattering for characterization of tissue microarchitecture and its alteration in early precancer.IEEE J Select.Topics Quantum Electron，2003，9：243-256.3 张文锋，石峰，欧阳辉，等.Nd:YAG激光治疗消化性胃溃疡

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