基于THz的人體胃癌組織檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、太赫茲時(shí)域光譜作為一種新興的光譜檢測(cè)技術(shù)，因其快速無損、對(duì)水及生物分子響應(yīng)敏感等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近十幾年來在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，尤其在人體癌變組織診斷方向引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。盡管太赫茲醫(yī)療診斷研究現(xiàn)已取得了較大的進(jìn)展，但仍有許多機(jī)理及應(yīng)用方面的問題有待探索。為此，本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，以胃癌為檢測(cè)對(duì)象，開展了一系列基于太赫茲的人體癌變組織檢測(cè)技術(shù)的研究。探討了人體癌變組織太赫茲?rùn)z測(cè)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和檢測(cè)機(jī)理，重點(diǎn)針對(duì)癌變組織太赫茲吸收譜圖的

2、識(shí)別問題先后從模式識(shí)別到譜圖機(jī)理分析的角度提出了基于譜圖特異性主成分提取的組織分類方法和基于譜圖剝離的癌變組織識(shí)別方法。本文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)基于人體組織癌變的醫(yī)學(xué)理論知識(shí)，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法較系統(tǒng)地研究了人體組織癌變的病理變化，包括組織形態(tài)、水合狀態(tài)、組織中的特征成分及其變化對(duì)腫瘤組織太赫茲?rùn)z測(cè)產(chǎn)生的影響，旨在探討腫瘤組織太赫茲?rùn)z測(cè)中合適的樣本處理方式以及腫瘤組織的太赫茲響應(yīng)機(jī)理。與此同時(shí)，還研究了太赫茲在腫瘤組

3、織檢測(cè)中的實(shí)驗(yàn)技術(shù)問題，為獲得組織有效的太赫茲測(cè)量信號(hào)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　(2)以組織的太赫茲吸收系數(shù)譜圖為分析對(duì)象，提出了基于譜圖特異性主成分提取的分類模型，利用優(yōu)化的模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)組織病理狀態(tài)的自動(dòng)分類和識(shí)別。該模型采用融合t檢驗(yàn)的主成分分析方法對(duì)吸收譜圖進(jìn)行有監(jiān)督的降維及特征提取，使得提取的特征具有凸顯兩類組織太赫茲信號(hào)對(duì)比的特異性;此外，模型的構(gòu)建考慮了組織樣本量小的情況下模型的泛化能力，即對(duì)未知樣本的預(yù)測(cè)能力的提升。

4、研究表明提出的組織太赫茲吸收譜圖分類模型在小樣本實(shí)驗(yàn)研究中能夠很好地識(shí)別癌變組織，且具有較強(qiáng)的泛化能力。
　　(3)為進(jìn)一步解析胃組織癌變對(duì)應(yīng)的太赫茲吸收譜圖變化的機(jī)理，挖掘組織譜圖中蘊(yùn)藏的癌變標(biāo)志物或特征分子結(jié)構(gòu)的病理信息，本文對(duì)人體組織引申出的混合物太赫茲吸收系數(shù)譜圖的剝離技術(shù)進(jìn)行了研究。針對(duì)混合物譜圖中成分識(shí)別信息——太赫茲吸收峰相互混疊的現(xiàn)象，首次采用非負(fù)矩陣分解(NMF)和硬建模因子分析(HMFA)兩種盲信號(hào)分解方法，分

5、別從數(shù)學(xué)解析和譜圖物理結(jié)構(gòu)分解的角度對(duì)未知混合物的成分光譜進(jìn)行提取與識(shí)別。并對(duì)兩算法在太赫茲譜圖剝離應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了改進(jìn):通過對(duì)NMF添加譜圖平滑約束條件改善了NMF分解結(jié)果不唯一的狀況;通過修改HMFA中的特征峰選擇條件解決了低頻段太赫茲假基線對(duì)HMFA剝離的干擾問題。模擬和實(shí)測(cè)的氨基酸混合物太赫茲吸收系數(shù)譜圖剝離實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示兩算法提取的成分譜圖與真實(shí)的純物質(zhì)譜圖具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。帶有平滑約束的NMF簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，對(duì)成分譜圖的

6、譜型無限制條件但需預(yù)知成分種類數(shù)，是一種純數(shù)學(xué)解析的分解方法;而抗假基線干擾的HMFA分解過程相對(duì)復(fù)雜，且要求成分譜圖至少具有一個(gè)特征峰，但分解過程具有清晰的物理意義。這兩種混疊太赫茲譜圖剝離方法為人體組織以及其他復(fù)雜混合物對(duì)象的太赫茲譜圖的深入探究提供了有效的分析手段。
　　(4)為提高癌變組織太赫茲?rùn)z測(cè)的可解釋性，本文研究了組織太赫茲吸收譜圖與組織病理機(jī)制的關(guān)聯(lián)問題，提出基于太赫茲譜圖剝離的組織識(shí)別分析方法，從譜圖機(jī)理分析的角

7、度實(shí)現(xiàn)對(duì)癌變組織的識(shí)別。該方法采用HMFA分解算法對(duì)組織的太赫茲吸收系數(shù)譜圖進(jìn)行譜峰剝離，通過差異性檢驗(yàn)提取正常與癌變組織譜圖分解權(quán)重不同的特征峰，并結(jié)合概率密度分布、決策樹的方法確定兩類組織譜圖在這些特征峰上的權(quán)重區(qū)分閾值，從而設(shè)定癌變組織的判別規(guī)則。提取的特征峰可能與組織癌變過程中含量或結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化的內(nèi)部成分或分子模式對(duì)應(yīng)，使得組織譜圖識(shí)別過程與組織病理機(jī)制關(guān)聯(lián)。胃組織太赫茲吸收譜圖的分類識(shí)別實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法的有效性及其潛在的對(duì)組織

8、癌變的特征分子或結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了驗(yàn)證。本文提出的基于譜圖剝離的癌變組織識(shí)別方法簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜度不高，為大規(guī)模病變組織樣本的太赫茲?rùn)z測(cè)提供了新的研究思路，有望使得基于太赫茲技術(shù)的病變組織診斷既具有光譜檢測(cè)技術(shù)的快速簡(jiǎn)便又具有病理檢測(cè)的可靠性和可釋性。
　　總而言之，本文針對(duì)目前人體癌變組織太赫茲?rùn)z測(cè)機(jī)理及應(yīng)用存在的問題，開展了癌變組織太赫茲?rùn)z測(cè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及信號(hào)機(jī)理分析，基于模式識(shí)別方法的組織太赫茲吸收譜圖分類，混疊太赫茲譜圖剝離以