正常人体甲状腺体表傅里叶红外光谱图的特征分析

吴 敏，张伟涛，田沛荣，凌晓锋，徐 智

北京大学第三医院普外科，北京 100191

正常人体甲状腺体表傅里叶红外光谱图的特征分析

吴 敏，张伟涛，田沛荣，凌晓锋，徐 智*

北京大学第三医院普外科，北京 100191

应用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)并联合衰减全反射(ATR)探头经体表方式测定120名健康受试者的双侧甲状腺，由此获得240张正常人体甲状腺体表傅里叶红外光谱图；通过分析比较正常人体左右两侧甲状腺体表红外光谱12个谱带的峰位、相对峰强及半高宽等35个FTIR光谱参数以探讨双侧甲状腺体表红外光谱有无差异；同时明确甲状腺体表红外光谱中蛋白质、脂质、核酸和糖类等生物化学成分相应特征吸收峰的变异特征。结果表明：正常人体左右两侧甲状腺体表红外光谱图大体趋于一致，仅F1 640P2 920P1 040和I2 920/I1 460，4个光谱参数差别存在统计学意义；并计算得到一系列正常人体甲状腺体表傅里叶红外光谱特征谱带光谱参数的90%正常参考值范围及绘制出能充分代表正常人体甲状腺基本特征的标准平均红外光谱图，进一步为傅里叶变换红外光谱应用于临床甲状腺疾病诊断提供参考。

傅里叶变换红外光谱；正常人体甲状腺；参考值范围；标准

引 言

傅里叶变换红外光谱(FTIR)因其能够从分子水平反应物质的结构化学和数量变化而被广泛应用于农业、化工等领域的实践和研究。在生物医学上，构成人体组织细胞的生物化学成分主要包括核酸、蛋白质、脂类、糖类等。研究证明这些化学成分在傅里叶变换红外光谱中存在相应的特征振动吸收峰[1-2]，而这些化学成分在结构和数量上的变化将引起其在光谱中相应吸收峰的峰位和峰强等参数改变。众多研究者利用傅里叶变换红外光谱技术这一独特优势来研究其能否用于人体疾病的诊断和鉴别诊断，特别在肿瘤良恶性的鉴别诊断方面如乳腺[3]、肺、结直肠[4]、膀胱[5]的肿瘤研究表明傅里叶红外光谱技术对于肿瘤良恶性的诊断与鉴别诊断具有一定的应用价值。而在人体甲状腺疾病方面，研究者主要集中研究了甲状腺肿物的离体、在体组织或体表甲状腺FTIR光谱的差异[6]，却并未对正常人体甲状腺组织红外光谱中上述各种生物化学成分的特征吸收峰的各项参数自身存在正常变异进行认识。而准确地认识正常甲状腺组织红外光谱中各特征参数的变异和自身特征对指导傅里叶红外光谱技术研究人体甲状腺良恶性疾病的鉴别诊断和傅里叶红外光谱在甲状腺疾病未来中的临床实际应用均具有重要的意义。本研究拟通过傅里叶变换红外光谱仪并联合衰减全反射(ATR)探头检测健康受试者获得大量正常人体甲状腺体表傅里叶红外光谱图，分析比较人体左右两侧的正常甲状腺体表傅里叶红外光谱图的特征，并分析正常人体甲状腺体表傅里叶红外光谱图的各种特征吸收峰的特点。

1 实验部分

1.1 仪器

实验采用WQF-660 型傅里叶变换红外光谱仪(北京瑞利分析仪器有限公司，光纤长度1.2 m，弯曲半径可达20 cm)、MCT检测器(美国Infrared Associates公司生产)及衰减全反射探头(北京瑞利精益实验室仪器有限公司生产)。

1.2 健康受试者来源

2012年10月至2015年3月，通过粘贴广告等形式招募健康受试者120名加入本实验。要求受试者无恶性肿瘤及各种甲状腺疾病病史，且经北京大学第三医院普通外科医生查体判断甲状腺无异常及B超检查报告无甲状腺疾病。受试者平均年龄40.8岁(最小24 岁，最大70岁)，男女比例为16∶104。本研究经北京大学生物医学伦理委员会(项目编号:IRB00001052-11034) 和北京大学第三医院伦理委员会( 项目编号:2008016) 批准。所有受试者在实验前均征得本人同意并签署知情同意书。

1.3 FTIR扫描检测

为避免无关因素干扰，检测前分别使用医用70%酒精分别清洁衰减全反射探头及受试者颈部左右两侧待测部位皮肤，待其风干后将探头紧贴于甲状腺左右两侧皮肤进行傅里叶红外光谱测定。光谱测定范围为3 100～900 cm-1，分辨率为8 cm-1，每次光谱测定共扫描受试部位32次，并将32条光谱拟合成具有最佳信噪比的红外吸收光谱作为受试者最终光谱。每次光谱扫描前记录背景光谱并将其从最终光谱扣除以消除周围环境对光谱检测的影响。

1.4 光谱数据分析

共获得健康受试者240(120×2)条FTIR体表光谱。使用Spa Pro V2.2 软件(北京大学化学与分子工程学院编写)对每条FTIR光谱进行平滑校正等处理并计算每条光谱中与核酸磷酸基团、蛋白质酰胺Ⅰ、Ⅱ带等相关特征基团的峰位(P)、峰强(I)、半高宽(F)。由于FTIR光谱波数为1 460 cm-1处的峰强最为稳定，因此计算光谱其余峰强与该处的峰强比值获得相对峰强。比较健康受试者左右两侧甲状腺的各项FTIR参数有无差异，若无差异则计算FTIR光谱有关特征基团的峰位(P)、峰强(I)、半高宽(F)及相对峰强的95%正常变异范围。对所有光谱参数进行正态性检验及方差齐性检验。对于正态分布数据采用配对t检验进行分析，非正态分布数据采用Wilcoxon配对符号秩和检验。分析结果正态分布的数据以均数±标准差表示。各参数90%正常变异范围计算均采用百分位法。所有数据均使用SPSS20.0统计软件进行统计分析。所有统计检验均采用双侧检验，以p<0.05为差异有统计学意义。

2 结果与讨论

2.1 人体甲状腺体表FTIR光谱各特征峰的谱带属性

2.2 健康受试者甲状腺左右两侧的FTIR体表光谱参数比较

人体甲状腺可分为左右两叶，中间以峡部连接，本研究按配伍设计资料比较分析健康受试者甲状腺左右两侧的体表FTIR光谱特征参数，所得结果如表2和表3所示。从表中可知，仅F1 640，P2 920，P1 040和I2 920/I1 460，4个FTIR体表光谱参数的差别存在统计学意义，而其余31个光谱参数的差别无统计学意义。F1 640代表的某类蛋白质、P1 040代表的糖类、P2 920和I2 920/I1 460则代表的脂类在左右两侧甲状腺的结构或含量不完全一致；但由于与细胞生命核心物质核酸有关的谱带1 025和1 080 cm-1却并不存在差异，同时存在差异的光谱参数占所有光谱参数的比例仅为4/35，因而提示健康受试者甲状腺左右两侧的FTIR体表光谱存在细微差异，但大体上趋于一致，结果与人体甲状腺左右两侧具有类似的局部解剖结构与组织结构相吻合。

表1 正常甲状腺体素红外谱特征谱带指认

Table 1 Preliminary assignments of characteristic bands of the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland

Peakposition/cm-1VibrationsofthegroupsReferencesubstances2920νasCH2Lipid2855νasCH2Lipid1743νsCO Lipid1640AmideⅠbandProtein1550AmideⅡbandProtein1460δC—HLipid1400δC—H，δC—O—HLipid1250νasPO-2Nucleicacid1160νC—O，δC—O—H，δC—O—CCarbohydrate1120νC—O，δC—O—H，δC—O—CCarbohydrate1080νsPO-2Nucleicacid1040νC—O，δC—O—H，δC—O—CCarbohydrate

νas: Asymmetric stretching vibration；νs: Symmetric stretching vibration;δ: Bending vibration

表2 正常甲状腺左右两侧体表红外光谱特征参数比较(正态分布参数部分)

Table 2 Parameter comparison between the left and right surface FTIR spectra of normal human thyroid gland (normal distribution data)

VariablesMeandifference±SDStatisticofthepairt⁃testdfPF164023 94±18 1314 4601190 000∗F14000 37±5 680 7161190 475F10800 18±6 380 3111190 756I1743/I1460-0 3±0 27-1 2921190 199I1640/I1460-0 28±1 63-1 8831190 062I1550/I1460-0 17±1 15-1 6331190 105I1400/I1460-0 02±0 31-0 0781190 435

F: the width at half maximum of unique absorbent bands;Ix1/Ix2: the relative peak intensity, *indicates thatp<0.05

2.3 健康受试者正常甲状腺FTIR体表光谱参数的特征

傅里叶红外光谱技术用于人体甲状腺肿瘤良恶性鉴别诊断的诸多研究表明红外光谱技术对于人体甲状腺相关疾病的诊断与鉴别诊断具有一定的应用价值；但无论是对术后人体甲状腺离体组织的红外光谱分析[9-10]，还是对术前人体甲状腺的体表光谱分析[11]，都仅局限于对良性与恶性甲状腺疾病之间光谱特征参数差异的比较与分析，试图找出两类甲状腺疾病在红外光谱上的差别以期为傅里叶红外光谱技术的实际临床应用做理论准备，却并未对人体正常甲状腺的红外光谱的各项特征参数进行深入的认识。任何一项医学指标要真正实现在临床疾病诊断方面应用，首先应该对正常人体的该指标进行透彻的分析，而傅里叶红外光谱技术也不例外。本研究通过分析健康受试者甲状腺的体表FTIR 图谱(240张)存在的12个特征光谱谱带的特征及计算其90%参考值范围，试图建立一个能够代表人体正常甲状腺特征的标准的傅里叶红外光谱图，同时对正常甲状腺红外光谱各项特征参数的正常变异范围进行界定，为后期人体甲状腺红外光谱研究和应用提供理论依据。结果如表4和表5所示。同时绘制正常甲状腺平均光谱图如图1和图2所示，图1共有10个特征谱峰，图2有2个特征谱峰。

表3 正常甲状腺左右两侧体表红外光谱特征参数比较(非正态分布参数部分)

Table 3 Parameter comparison between the left and right surface FTIR spectra of normal human thyroid gland (non-normal distribution data)

VariablesStatisticofthepairWilcoxontestPP2920-2 1850 029∗P2855-1 5840 113P1743-0 2580 796P1640-0 6450 519P1550-0 7780 436P1460-0 0180 985P1400-0 6580 510P1250-1 3740 169P1160-1 0910 275P1120-0 5470 584P1080-0 6200 535P1040-2 2140 027∗F2920-1 7460 081F2855-0 3010 763F1743-0 6770 498F1640-0 4510 652F1550-0 5590 576F1250-0 6420 521F1160-1 1660 244F1120-1 8410 066F1040-1 3560 175I2920/I1460-2 6740 007∗I2855/I1460-0 4350 664I1250/I1460-0 1680 867I1160/I1460-0 0710 944I1120/I1460-0 8300 406I1080/I1460-0 5130 608I1040/I1460-1 2490 212

P: the unique peak positions;F: the width at half maximum of unique absorbent bands ;Ix1/Ix2: the relative peak intensity, *indicates thatp<0.05

图1 正常甲状腺体素平均红外光谱(1 750～1 000 cm-1)

表4 正常甲状腺体表红外光谱特征峰位和半高宽的90%参考值范围

Table 4 90% normal reference range of the unique peak positions(cm-1) and the width at half maximum of unique absorbent bands of the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland

VariablesMean±SD90%normalreferencerangeP29202920 06±1 882915 80～292360P28552854 24±10 592850 30～2883 65P17431747 81±1 501739 50～1743 30P16401643 53±1 291643 10～1646 90P15501541 56±2 161538 90～1542 80P14601458 20±1 561457 90～1461 80P14001403 79±4 291400 10～1407 80P12501240 85±16 231234 20～1253 50P11601162 74±5 251149 59～1168 70P11201112 26±4 711106 90～1118 50P10801074 13±6 041068 40～1083 80P10401029 11±4 161033 70～1045 20F292031 38±10 5425 43～35 07F285522 42±4 7519 00～25 80F174314 76±0 7713 70～15 79F164049 98±16 7643 00～56 02F155025 44±1 4323 30～27 19F146026 81±1 5424 50～28 80F140038 01±5 0731 01～46 29F125054 34±28 9334 71～117 09F116021 26±4 3912 91～26 60F112014 85±2 688 11～17 30F108013 86±4 295 51～23 10F104022 12±2 9216 40～25 50

P: the unique peak positions;F: the width at half maximum of unique absorbent bands

表5 正常甲状腺体表红外光谱特征峰强和相对峰强的90%参考值范围

Table 5 90% normal reference range of the unique peak intensities(a.u.) and its relative peak intensities of the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland

VariablesMean±SD90%normalreferencerangeI29200 17±0 080 51～0 32I28550 10±0 050 03～0 18

续表5

I17430 04±0 030 00～0 09I16400 23±0 090 08～0 37I15500 16±0 070 05～0 26I14600 04±0 030 01～0 07I14000 04±0 030 01～0 07I12500 04±0 020 01～0 05I11600 01±0 020 00～0 03I11200 02±0 020 01～0 06I10800 03±0 020 01～0 06I10400 05±0 030 01～0 10I2920/I14604 41±1 183 02～5 84I2855/I14602 64±0 871 55～3 78I1743/I14600 81±0 570 10～1 70I1640/I14606 15±2 412 73～9 70I1550/I14604 41±1 721 87～7 17I1400/I14601 06±0 470 40～1 79I1250/I14600 95±0 360 47～1 61I1160/I14600 27±0 210 00～0 63I1120/I14600 64±0 440 13～1 51I1080/I14600 75±0 060 20～1 52I1040/I14601 27±0 740 45～2 44

I：the peak intensity；Ix1/Ix2：the relative peak intensity

3 结 论

图2 正常甲状腺体表红外光谱(3 100～2 800 cm-1)

应用傅里叶红外光谱技术联合衰减全反射探头对120名健康受试者体表左右两侧甲状腺进行检测后对人体左右两侧正常甲状腺体表FTIR光谱图比较分析，结果发现左右两侧甲状腺体表FTIR光谱大体一致，部分光谱特征参数存在细微的差异，结果与人体甲状腺两侧具有类似的组织结构和周围环境基本吻合，这为单侧甲状腺疾病的进一步红外光谱研究具有重要意义。同时分析了人体正常甲状腺的体表红外光谱各项特征参数的正常变异范围并获得正常人体甲状腺体表的标准平均红外光谱图，这为红外光谱技术在人体甲状腺疾病方面的研究建立了良好的标准化对照，甚至为最终实现红外光谱技术在临床疾病诊断方面的应用提供理论依据。

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*Corresponding author

(Received Jun. 23, 2015; accepted Nov. 18, 2015)

Characteristics Analysis of the Thyroid Gland Surface of Normal Human with Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectra

WU Min, ZHANG Wei-tao, TIAN Pei-rong, LING Xiao-feng, XU Zhi*

Department of General Surgery, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China

In order to obtain 240 cases of the surface Fourier transform infrared (FTIR) spectra of normal human thyroid gland, 120 healthy volunteers were enrolled in this study and scanned by using two mid-infrared optical fibers equipped with an attenuated total reflectance (ATR) to probe through the skin of two lobes of thyroid gland. Then whether there were differences between the surface FTIR spectra of the right lobe and that of the left part of the normal human thyroid gland was explored by comparing the 35 variables of 12 bands, including peak positions, relative intensity ratios and full width at half maximum of FTIR spectrums. Also the spectra characteristics of unique absorbent bands that represent changes of structure and quantity of variance biochemical substances such as nucleic acids, proteins and carbohydrates were illustrated. Results indicated that the surface FTIR spectra of the right part and that of the left part of the normal human thyroid gland were generally coincided, with statistically significant differences in four spectrum parameters, includingF1 640,P2 920,P1 040andI2 920/I1 460. A series of data about the 90% normal reference range of the unique spectrum parameters in the surface FTIR spectra of normal human thyroid gland was gained, and a standard average infrared spectrogram which can fully represent the basic features of normal human thyroid gland was plotted. The conclusions above could be used as a reference for clinical diagnosis of thyroid diseases with FTIR spectroscopy.

Fourier transform infrared spectra; Normal human thyroid gland; Normal reference range of the unique parameters; Standard

2015-06-23，

2015-11-08

中央高校基本科研业务费专项-北京大学临床研究项目(PUCRP201105)资助

吴 敏, 1991年生, 北京大学第三医院普外科硕士研究生 e-mail: wm13366621237@163.com *通讯联系人 e-mail: xuzhi123456@sohu.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)10-3092-05