宫颈癌石蜡切片在太赫兹时域光谱下的成像及分析

杨晓月，李平

江苏大学附属医院妇产科，江苏镇江 212002

目前对肿瘤的确诊依赖组织病理学,主要是在显微镜 下观察肿瘤细胞及其排列方式，进而确定病变的种类和程度,一直以来是疾病诊断尤其是肿瘤诊断的“金标准”。但病理诊断需借助经验判断及主观认识,有一定的偏差。2011年相关学者[1]等利用频率范围为1～6 THz的太赫兹波对石蜡病理切片进行扫描成像，在3.6 THz频率附近实现了肿瘤和非肿瘤病变精确组织识别。2011年亦有相关学者[2]对宫颈癌的淋巴结转移进行了太赫兹成像研究。实验表明，淋巴结转移的宫颈癌组织反射的时域信号峰值要低于从正常淋巴结组织反射的峰值，两者峰值相差约5%，提示太赫兹波有望应用于宫颈癌淋巴结转移的早期诊断。

近年来越来越多研究表明利用太赫兹波普分析技术对临床恶性肿瘤诊断的可行性[3-6],对宫颈癌的石蜡切片研究,为日后太赫兹最终用于临床宫颈癌的确诊提供理论依据,从而实现对恶性肿瘤患者的无创确诊。

1 对象与方法

1.1 组织样本来源

两样本分别于2017年12月28日和2018年3月8日，经江苏大学附属医院妇科医生手术切除子宫、病理明确为宫颈腺癌（下文称样本1）和宫颈鳞癌（下文称样本2）（图 1）。

图1 宫颈癌石蜡病理

1.2 检测样本制备

该实验样品制备过程为[7]：①固定，使用10%的甲醛溶液固定，目的是保持细胞、组织的固有形态，避免组织自溶、腐烂等；②水洗，用流水冲洗已经固定的组织块30 min；③脱水处理，使用梯度乙醇溶液逐级脱水处理；④透明，将样品置于二甲苯溶液中进行透明；⑤浸蜡，将样品置于45～50℃的熔蜡中1 h以上；⑥包埋并用刀片切除组织周围过多的石蜡，得到厚度为3.6 mm左右的初始样本；⑦使用1200目的细砂纸对样本表面进行打磨，去除表面起伏和缺陷，使检测样本上下表面水平和光滑。厚度为3.5 mm。

1.3 检测设备及方法

实验使用ADVANTEST公司生产的TS7400TS太赫兹时域光谱仪对样本进行检测，检测模式为透射连续波成像模式。该系统由探测单元、分析单元、控制系统、干燥系统、XY测量平台控制器和XY测量平台组成。

将打磨处理好的样本放置于XY测量平台上，设置X、Y方向扫描步长为0.4 mm，扫描步数30步，分辨频率3.8 GHz， 64 次频谱平均，频率范围 0.1～5 THz，以空白聚乙烯窗片为参比信号。

1.4 统计方法

所得数据采用ORIGIN 9.1统计学软件进行分析。采取Savitzky-Golay卷积平滑法进行滤波处理。z-score数据归一化处理，消除属性之间的量纲误差。采取主成分分析法对组织谱图进行特征提取。

2 结果

2.1 太赫兹时域光谱技术下石蜡病理成像

将分次扫描得到的太赫兹时域光谱图像进行拼接，得到图2所示宫颈癌组织石蜡切片太赫兹图像 （分析频率0.1～3 THz）。从图2可以看出：石蜡包埋的宫颈组织与石蜡自身的太赫兹吸收系数谱图有着明显的差异；宫颈癌组织与正常组织的太赫兹吸收系数谱图存在区别，癌组织的太赫兹吸收系数较大；石蜡吸收信号与聚乙烯窗片的吸收信号较为接近。

图4 SG光滑滤波处理后石蜡和组织吸收系数对比

图5 Z-SCORE归一化+滤波处理后的谱线

图2 太赫兹时域光谱成像图

图3样本1为右上角癌组织附近石蜡、正常组织合癌组织三者的吸收系数，样本2为左上角部分石蜡、正常组织、癌组织三者的吸收系数。

2.2 太赫兹光谱信息处理

2.2.1 SG平滑化滤波 如图3、图4所示，实验获得的信号除了来自宫颈组织自身对太赫兹的吸收，还包含了石蜡对太赫兹的吸收，以及仪器和测量噪声。

对图4所示信号进行SG光滑滤波处理，得到如图5所示吸收系数谱线。经过滤波处理，过滤掉了大部分的干扰噪声，信噪比得到了提高，石蜡、正常组织和癌组织的吸收系数区别更加显著，有效频率在0.2～3 THz范围内。样本1癌组织在1.5、2、2.5 THz和2.8 THz处存在明显的吸收峰，样本2在1.5、2、2.4 THz和2.5 Thz处存在明显的吸收峰。吸收峰之间存在波谷，这表明组织中的生物大分子在这些频率处有特征吸收峰，且含量较高。导致这一现象的原因是宫颈癌组织与正常组织的构成成分、含量存在差异。两个样本癌组织的吸收峰频率和吸收谱线形状接近，这表明不同来源的宫颈癌构成和含量较为接近，实验得到的特征指纹信息可以用于宫颈癌组织诊断。

2.2.2 归一化处理 数据归一化处理主要是为了实现数据同趋势化和无量纲化。通过将属性值按比例缩放，使之落入一个小的特定区间，如0.0～1.0，对属性规范化。

图5中清楚地显示了Z-SCORE归一化对于突出谱图形状的作用，归一化的宫颈癌组织太赫兹吸收系数谱图消除了1.7 THz和2.3 THz附近频率点奇异的吸收系数值对于谱图形态辨识权重过大的影响，且加强了吸收峰的局部特征，有利于谱图的分类和辨识。

3 讨论

目前临床上恶性肿瘤的有效确诊一直依靠病理学诊断,但这种确诊对病人来说是有创的,且受限于取材医生和病理医生的水平。是否存在一种有效确诊并评估癌症患者病情的有效手段，成为提高临床治疗的一大研究及探索方向。宫颈癌严重威胁女性的健康，近年来宫颈癌的发病率一直居高不下,且呈现年轻化趋势。宫颈癌的早期诊断与早期治疗是提高宫颈癌患者生存率和改善预后的关键[8-9]。

太赫兹波具有极强的亲水特性[9]，新鲜人体组织由于含水量过高，难以直接用于太赫兹时域光谱检测成像。采取石蜡包埋技术去除组织中的水，减少水分子对太赫兹波的干扰。脱水后，组织自身组成成分特点，如核酸、蛋白质的含量差异，成为太赫兹检测的关键因素。

该研究利用太赫兹时域光谱技术对宫颈癌组织石蜡病理进行检测，研究结果显示：宫颈癌组织和癌旁组织对太赫兹波的吸收系数存在明显区别。两份来源不同的样本都表明，宫颈癌组织在1.5、2 THz、存在相同的明显吸收峰，但是检测信号中存在大量干扰，采取SG光滑滤波处理和Z-SCORE归一化处理可降低干扰信号的影响，提高信噪比。经过滤波和归一化处理后，得到宫颈癌石蜡病理在太赫兹时域光谱技术下有效检测频率范围0.1～3 THz。因此，将分析频率设置为0.1～3 THz可以得到清晰的宫颈癌石蜡病理太赫兹成像，成像中石蜡、癌组织和癌旁组织可以清晰区别出来。

该研究结果显示，太赫兹时域光谱技术有可能成为宫颈癌诊断的有效技术。利用该方法进行宫颈癌检测，减少了常规病理检测需要切片、染色和人工观察等环节，简化了检测流程，检测结果通过谱图的形式直观显示，不依赖于操作人经验判断，降低误诊概率，提高宫颈癌组织的检出率和效率。