宮頸癌石蠟切片在太赫茲時域光譜下的成像及分析

楊曉月，李平

江蘇大學附屬醫院婦產科，江蘇鎮江 212002

目前對腫瘤的確診依賴組織病理學,主要是在顯微鏡 下觀察腫瘤細胞及其排列方式，進而確定病變的種類和程度,一直以來是疾病診斷尤其是腫瘤診斷的“金標準”。但病理診斷需借助經驗判斷及主觀認識,有一定的偏差。2011年相關學者[1]等利用頻率范圍為1～6 THz的太赫茲波對石蠟病理切片進行掃描成像，在3.6 THz頻率附近實現了腫瘤和非腫瘤病變精確組織識別。2011年亦有相關學者[2]對宮頸癌的淋巴結轉移進行了太赫茲成像研究。實驗表明，淋巴結轉移的宮頸癌組織反射的時域信號峰值要低于從正常淋巴結組織反射的峰值，兩者峰值相差約5%，提示太赫茲波有望應用于宮頸癌淋巴結轉移的早期診斷。

近年來越來越多研究表明利用太赫茲波普分析技術對臨床惡性腫瘤診斷的可行性[3-6],對宮頸癌的石蠟切片研究,為日后太赫茲最終用于臨床宮頸癌的確診提供理論依據,從而實現對惡性腫瘤患者的無創確診。

1 對象與方法

1.1 組織樣本來源

兩樣本分別于2017年12月28日和2018年3月8日，經江蘇大學附屬醫院婦科醫生手術切除子宮、病理明確為宮頸腺癌（下文稱樣本1）和宮頸鱗癌（下文稱樣本2）（圖 1）。

圖1 宮頸癌石蠟病理

1.2 檢測樣本制備

該實驗樣品制備過程為[7]：①固定，使用10%的甲醛溶液固定，目的是保持細胞、組織的固有形態，避免組織自溶、腐爛等；②水洗，用流水沖洗已經固定的組織塊30 min；③脫水處理，使用梯度乙醇溶液逐級脫水處理；④透明，將樣品置于二甲苯溶液中進行透明；⑤浸蠟，將樣品置于45～50℃的熔蠟中1 h以上；⑥包埋并用刀片切除組織周圍過多的石蠟，得到厚度為3.6 mm左右的初始樣本；⑦使用1200目的細砂紙對樣本表面進行打磨，去除表面起伏和缺陷，使檢測樣本上下表面水平和光滑。厚度為3.5 mm。

1.3 檢測設備及方法

實驗使用ADVANTEST公司生產的TS7400TS太赫茲時域光譜儀對樣本進行檢測，檢測模式為透射連續波成像模式。該系統由探測單元、分析單元、控制系統、干燥系統、XY測量平臺控制器和XY測量平臺組成。

將打磨處理好的樣本放置于XY測量平臺上，設置X、Y方向掃描步長為0.4 mm，掃描步數30步，分辨頻率3.8 GHz， 64 次頻譜平均，頻率范圍 0.1～5 THz，以空白聚乙烯窗片為參比信號。

1.4 統計方法

所得數據采用ORIGIN 9.1統計學軟件進行分析。采取Savitzky-Golay卷積平滑法進行濾波處理。z-score數據歸一化處理，消除屬性之間的量綱誤差。采取主成分分析法對組織譜圖進行特征提取。

2 結果

2.1 太赫茲時域光譜技術下石蠟病理成像

將分次掃描得到的太赫茲時域光譜圖像進行拼接，得到圖2所示宮頸癌組織石蠟切片太赫茲圖像 （分析頻率0.1～3 THz）。從圖2可以看出：石蠟包埋的宮頸組織與石蠟自身的太赫茲吸收系數譜圖有著明顯的差異；宮頸癌組織與正常組織的太赫茲吸收系數譜圖存在區別，癌組織的太赫茲吸收系數較大；石蠟吸收信號與聚乙烯窗片的吸收信號較為接近。

圖4 SG光滑濾波處理后石蠟和組織吸收系數對比

圖5 Z-SCORE歸一化+濾波處理后的譜線

圖2 太赫茲時域光譜成像圖

圖3樣本1為右上角癌組織附近石蠟、正常組織合癌組織三者的吸收系數，樣本2為左上角部分石蠟、正常組織、癌組織三者的吸收系數。

2.2 太赫茲光譜信息處理

2.2.1 SG平滑化濾波 如圖3、圖4所示，實驗獲得的信號除了來自宮頸組織自身對太赫茲的吸收，還包含了石蠟對太赫茲的吸收，以及儀器和測量噪聲。

對圖4所示信號進行SG光滑濾波處理，得到如圖5所示吸收系數譜線。經過濾波處理，過濾掉了大部分的干擾噪聲，信噪比得到了提高，石蠟、正常組織和癌組織的吸收系數區別更加顯著，有效頻率在0.2～3 THz范圍內。樣本1癌組織在1.5、2、2.5 THz和2.8 THz處存在明顯的吸收峰，樣本2在1.5、2、2.4 THz和2.5 Thz處存在明顯的吸收峰。吸收峰之間存在波谷，這表明組織中的生物大分子在這些頻率處有特征吸收峰，且含量較高。導致這一現象的原因是宮頸癌組織與正常組織的構成成分、含量存在差異。兩個樣本癌組織的吸收峰頻率和吸收譜線形狀接近，這表明不同來源的宮頸癌構成和含量較為接近，實驗得到的特征指紋信息可以用于宮頸癌組織診斷。

2.2.2 歸一化處理 數據歸一化處理主要是為了實現數據同趨勢化和無量綱化。通過將屬性值按比例縮放，使之落入一個小的特定區間，如0.0～1.0，對屬性規范化。

圖5中清楚地顯示了Z-SCORE歸一化對于突出譜圖形狀的作用，歸一化的宮頸癌組織太赫茲吸收系數譜圖消除了1.7 THz和2.3 THz附近頻率點奇異的吸收系數值對于譜圖形態辨識權重過大的影響，且加強了吸收峰的局部特征，有利于譜圖的分類和辨識。

3 討論

目前臨床上惡性腫瘤的有效確診一直依靠病理學診斷,但這種確診對病人來說是有創的,且受限于取材醫生和病理醫生的水平。是否存在一種有效確診并評估癌癥患者病情的有效手段，成為提高臨床治療的一大研究及探索方向。宮頸癌嚴重威脅女性的健康，近年來宮頸癌的發病率一直居高不下,且呈現年輕化趨勢。宮頸癌的早期診斷與早期治療是提高宮頸癌患者生存率和改善預后的關鍵[8-9]。

太赫茲波具有極強的親水特性[9]，新鮮人體組織由于含水量過高，難以直接用于太赫茲時域光譜檢測成像。采取石蠟包埋技術去除組織中的水，減少水分子對太赫茲波的干擾。脫水后，組織自身組成成分特點，如核酸、蛋白質的含量差異，成為太赫茲檢測的關鍵因素。

該研究利用太赫茲時域光譜技術對宮頸癌組織石蠟病理進行檢測，研究結果顯示：宮頸癌組織和癌旁組織對太赫茲波的吸收系數存在明顯區別。兩份來源不同的樣本都表明，宮頸癌組織在1.5、2 THz、存在相同的明顯吸收峰，但是檢測信號中存在大量干擾，采取SG光滑濾波處理和Z-SCORE歸一化處理可降低干擾信號的影響，提高信噪比。經過濾波和歸一化處理后，得到宮頸癌石蠟病理在太赫茲時域光譜技術下有效檢測頻率范圍0.1～3 THz。因此，將分析頻率設置為0.1～3 THz可以得到清晰的宮頸癌石蠟病理太赫茲成像，成像中石蠟、癌組織和癌旁組織可以清晰區別出來。

該研究結果顯示，太赫茲時域光譜技術有可能成為宮頸癌診斷的有效技術。利用該方法進行宮頸癌檢測，減少了常規病理檢測需要切片、染色和人工觀察等環節，簡化了檢測流程，檢測結果通過譜圖的形式直觀顯示，不依賴于操作人經驗判斷，降低誤診概率，提高宮頸癌組織的檢出率和效率。