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(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(jié)合受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS） 在腦腫瘤診斷及分類等領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)、描繪腫瘤位置的神經(jīng)成像研究和精確的神經(jīng)病理學診斷。腫瘤樣本的神經(jīng)病理學術(shù)中診斷對于神經(jīng)外科醫(yī)生如何采用最佳的可能治療策略具有關(guān)鍵意義。組織病理學診斷的傳統(tǒng)方法所涉及的組織切片的樣品制備一般因循已經(jīng)建立起來的固定和染色方案。這種方法已經(jīng)實踐了幾十年，并已在準確識別腫瘤組織時可獲得良好結(jié)果。然而，這種方法是有局限性的：例如涉及術(shù)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(zhì)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(shù)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(guān)鍵的，并且理論上可以通過應(yīng)用新鮮標本的術(shù)中診斷工具來實現(xiàn)，導致可靠的讀出數(shù)據(jù)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(jīng)成為一種基于核苷酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)光譜特性來精確區(qū)分不同組織特征的技術(shù)。SRS可用于依據(jù)DNA性質(zhì)達到人類皮膚癌的快速診斷，并產(chǎn)生與傳統(tǒng)的蘇木精和曙紅（H＆E）制劑相當?shù)膱D像。此外，SRS圖像的性質(zhì)，例如蛋白質(zhì)/脂質(zhì)比、神經(jīng)軸突密度和細胞數(shù)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)室內(nèi)使用一個特殊設(shè)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(chǔ)。2845cm-1位移的圖像突出顯示組織切片中的脂質(zhì)，并且從2930cm-1位移減去上述部分來顯示蛋白質(zhì)和核苷酸的結(jié)構(gòu)。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(chǎn)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(jīng)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(zhì)。檢查正常腦實質(zhì)組織學特征的參考組織取自顳葉切除術(shù)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(zhì)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(jīng)膠質(zhì)來源的組織。
眾所周知，膠質(zhì)瘤在組織病理學上是異質(zhì)的，使得針對膠質(zhì)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(zhì)瘤樣本中，Orringer博士及其同事展示了具有高細胞質(zhì)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(lǐng)域。由于SRH的快速周轉(zhuǎn)時間，該方法允許神經(jīng)病理學家調(diào)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(tǒng)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(chǎn)生的圖像的質(zhì)量與以前的方法相當，為神經(jīng)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(shù)據(jù)的神經(jīng)病理學家進行的診斷進行定量分析。有趣的是，神經(jīng)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(jīng)膠質(zhì)腫瘤的膠質(zhì)近乎100％的準確度。此外，在預(yù)測最終診斷時，觀察到的傳統(tǒng)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(shù)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(shù)期間成為神經(jīng)外科醫(yī)生寶貴資產(chǎn)，并且可以幫助決定切除后患者的最佳治療選擇。使用術(shù)中拉曼探針的常規(guī)拉曼光譜允許在手術(shù)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(guān)的光譜讀數(shù)。在將來，結(jié)合SRS和基于探針的系統(tǒng)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(jīng)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
