發(fā)布日期：2017-02-14

近日，《自然》子刊《Nature Biomedical Engineering》推出了“機(jī)器學(xué)習(xí)”特刊，為我們介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。我們今日也推出“機(jī)器學(xué)習(xí)”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(xué)診斷。腫瘤樣本的神經(jīng)病理學(xué)術(shù)中診斷對(duì)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(xué)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(shí)踐了幾十年，并已在準(zhǔn)確識(shí)別腫瘤組織時(shí)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(dāng)考慮腦腫瘤的表型異質(zhì)性時(shí)，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(cuò)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(duì)準(zhǔn)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(biāo)本的術(shù)中診斷工具來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致可靠的讀出數(shù)據(jù)和較少的處理時(shí)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(dá)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(dāng)?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(xì)胞數(shù)量可以用于識(shí)別腦組織中浸潤性腫瘤細(xì)胞，精確度大于99％?，F(xiàn)在，通過利用機(jī)器學(xué)習(xí)，Daniel Orringer博士及其同事在《Nature Biomedical Engineering 》雜志中報(bào)告了首個(gè)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(xué)圖像。該方法被稱為受激拉曼組織學(xué)（SRH），在手術(shù)室內(nèi)使用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的SRS顯微鏡。

通常，兩個(gè)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(duì)病理學(xué)家來說更加熟悉。

▲患者腦組織標(biāo)本的受激拉曼組織學(xué)（SRH）和常規(guī)蘇木精和伊紅（H＆E）組織學(xué)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(gè)神經(jīng)外科患者的樣品，特別注意了正常和腫瘤組織獨(dú)特的細(xì)胞和形態(tài)學(xué)性質(zhì)。檢查正常腦實(shí)質(zhì)組織學(xué)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(dú)特的特征，包括軸突、脂褐素顆粒和巨噬細(xì)胞浸潤，其有時(shí)可影響診斷。對(duì)于膠質(zhì)瘤，SRH在低級(jí)和高級(jí)腫瘤之間顯示出明顯的差異，特別是在細(xì)胞程度、細(xì)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(xué)上是異質(zhì)的，使得針對(duì)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(gè)低級(jí)膠質(zhì)瘤樣本中，Orringer博士及其同事展示了具有高細(xì)胞質(zhì)密度的彌漫性細(xì)胞的組織學(xué)模式，但也顯示了超細(xì)胞性和顯示間變性特征的有絲分裂活性細(xì)胞的領(lǐng)域。由于SRH的快速周轉(zhuǎn)時(shí)間，該方法允許神經(jīng)病理學(xué)家調(diào)查腫瘤的不同部分，以便獲得不同細(xì)胞類型和細(xì)胞行為的更全面的視圖。

考慮到組織病理學(xué)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(yàn)證SRH產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量與以前的方法相當(dāng)，為神經(jīng)病理學(xué)家提供類似而不是增強(qiáng)的信息。作者對(duì)由三個(gè)檢查了SRH數(shù)據(jù)的神經(jīng)病理學(xué)家進(jìn)行的診斷進(jìn)行定量分析。有趣的是，神經(jīng)病理學(xué)家可以達(dá)到98％的準(zhǔn)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(zhǔn)確度。此外，在預(yù)測最終診斷時(shí)，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(dá)92％的準(zhǔn)確度。

由于易于使用和快速處理時(shí)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(shí)施。得到針對(duì)新鮮組織實(shí)時(shí)反饋的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yàn)的驗(yàn)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