Fremskyndelse af klinisk brug af Raman-spektroskopi-kemiske fingeraftryk

"Teknikken til Raman-spektroskopi - i kombination med nye maskinlæringsmetoder - er på vej ind i operationsstuerne i et hurtigt tempo, med udsigt til at forbedre nøjagtigheden af ​​kirurgiske procedurer i en bred vifte af onkologiske applikationer, herunder neurokirurgi, siger Frédéric Leblond, professor i teknisk fysik ved Polytechnique Montréal. Hans teams nye papir har til formål at fremskynde optagelsen af ​​Raman-spektroskopi i biomedicin ved at øge den tillid, klinikere kan have til resultaterne.

Opkaldt efter den indiske fysiker C. V. Raman, som først observerede Raman-spredning i 1928, Raman-spektroskopi bruger en højintensiv laser til at undersøge molekyler. Lyset spredt tilbage af molekylerne giver information om deres struktur og binding, så Raman-spektroskopi kan bruges til at fornemme og identificere kemiske ændringer. Inden for medicin, denne spredningsteknik giver "kemiske fingeraftryk" af celler, væv, eller biovæsker, give forskere rig biomolekylær information, som kunne afsløre årsager og virkninger af sygdomme.

Sammenlignet med andre analytiske teknikker såsom histologi, røntgenstråler, MR, og PET-scanninger, Raman-spektroskopi tilbyder flere fordele, herunder at være ikke-invasiv og ikke-destruktiv, og ved hjælp af ikke-ioniserende stråling. Der er typisk ingen prøveforberedelse, og forskere kan vælge, hvor meget eller hvor lidt af en prøve, der skal analyseres. Derudover næsten alle materialer udviser Raman-spredning. Rene metaller vil kun reflektere lys, men metallurger kan bruge Raman-spektroskopi, fordi karbider, nitrider, og oxider vil sprede Raman.

På trods af disse fordele, Raman-spektroskopi er en lavsignalteknik, der kræver relativt lange optagelsestider og, indtil nu, der har ikke været nogen effektiv måde at overvåge og sikre intraoperativ Raman-signalkvalitet. Dette underskud hæmmer den kliniske oversættelse af teknikken ved at begrænse evnen til at træne robuste og nøjagtige maskinlærende kræftdetektionsmodeller. Det begrænser også pålideligheden af ​​intraoperativ dataindsamling, kræver ofte ekstra personale til visuelt at overvåge datakvaliteten live under en procedure.

Måling af signalkvalitet

I et nyligt papir i SPIE Journal of Biomedical Optics (JBO), Leblond og hans team behandler dette problem og beskriver deres bestræbelser på at udvikle en kvantitativ metode til evaluering af Raman-signalkvalitet baseret på variansen forbundet med stokastisk støj i vigtige vævsbånd.

"Alt for ofte, akademiske studier fremmer optiske værktøjer til medicin, men tag ikke et nøje kig på kvaliteten af ​​de spektrale data, der bruges til at træffe beslutninger, " siger Brian Pogue, MacLean professor i teknik ved Thayer School of Engineering i Dartmouth og chefredaktør for JBO. "På området for Raman-spektroskopi, dette kan være særligt vigtigt, fordi dataene i sagens natur er signal-til-støj begrænset, og meget kompleks af natur. Der er mange molekylære resonanstoppe i spektret, og de overlapper hinanden, og nogle har meget lille signalintensitet. Det er meget vigtigt at fremme automatiserede dataanalyseværktøjer for at sikre, at de målte spektrale data har tilstrækkelig høj kvalitet til at træffe en medicinsk beslutning, da disse nye teknikker er avanceret i kliniske forsøg."

Papiret beskriver udviklingen af ​​en ny teknik, der utvetydigt kan kvantificere Raman-datakvaliteten baseret på signalet, der er forbundet med specifikke molekylære karakteristika af signalet - specifikt tilstedeværelsen af ​​visse protein- og lipidbånd. Denne metode kan bruges til automatisk at overvåge Raman-signalkvaliteten under kirurgiske procedurer og blev påvist at forbedre nøjagtigheden af ​​hjernekræftdetektion.

Kvantificering af kvaliteten

For at teste metoden, holdet brugte et datasæt med 315 in situ spektre fra 44 hjernekræftpatienter erhvervet ved hjælp af et enkeltpunkt, håndholdt Raman-spektroskopi-sondesystem udviklet af Leblond og hans team. Før de præsenteres for tre uafhængige bedømmere til kvalitativ evaluering, spektrene blev blandet tilfældigt og deres tildelte patologimærke skjult. Specifikke kriterier såsom visuel vurdering af allestedsnærværende Raman-vævstoppe blev anvendt.

I en anden test, 15 in vivo hjernemålinger blev foretaget under operation for glioblastom hos én patient for at evaluere antallet af gentagne målinger på Raman signal-til-støj-forholdet. De fandt ud af, at deres metode kan adskille høj- og lavkvalitetsspektre med en følsomhed på 89 % og en specificitet på 90 % - dette kan øge følsomheden og specificiteten for kræftdetektion med op til 20 % og 12 %, henholdsvis.

"Denne nye undersøgelse af Fred Leblond og hans forskningsgruppe ved Polytechnique Montreal og CHUM Research Center fremmer konceptet med at lave medicinske diagnoser-baserede spektrale målinger, der er valideret af kvalitetsmålinger af dataene, " siger Pogue. "Denne gruppe har lavet nogle af de mest banebrydende undersøgelser i at bruge Raman-spektroskopi i neurokirurgi, og de har en række publikationer, der fremmer hvert aspekt af instrumenteringen, værktøjerne til dataanalyse og visualisering, og fremme de kliniske forsøg. Dette nuværende papir fokuserer på det vigtigste underbehandlede spørgsmål om test og kvantificering af kvaliteten af ​​spektrene, som det bruges til beslutningstagning i medicin."