设计一款便携且易于获取的用于实时检测宫颈上皮内瘤变的漫反射光谱系统
Allison Scarbrough, Diana Moses, Tongtong Lu, and Bing Yu
Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 18, No. 04, 2544001 (2025)
宫颈癌是全球女性第四大常见恶性肿瘤，约84%的病例发生在中低收入国家（LMICs）。这主要是因为目前的筛查技术在这些国家缺乏可负担性、可及性和可靠性。为了开发一种适用于 LMICs 的宫颈癌筛查光学技术，美国马凯特大学/威斯康星医学院Bing Yu教授团队在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上发表了一篇题为“Designing a portable and accessible diffuse reflectance spectroscopy system for real-time detection of cervical intraepithelial neoplasia”的研究论文，提出了一种便携式漫反射光谱（DRS）系统，该系统制造成本低于2500美元，使用树莓派（Raspberry Pi）提取生物组织的吸收系数（µa）和约化散射系数（µ's）。
研究背景
宫颈癌在全球女性中是第四大常见恶性肿瘤，其中约84%的病例发生在中低收入国家（LMICs）。这主要是因为目前的宫颈癌预防和筛查技术在这些国家要么不可负担，要么不可靠，要么无法使用。例如，尽管人乳头瘤病毒（HPV）疫苗可以有效预防宫颈癌，但需要患者在1-6个月内接受2-3剂才能达到完全效果。此外，传统的宫颈癌筛查技术，如巴氏涂片和HPV检测，虽然在高资源临床环境中有效，但在 LMICs 中并不足够可靠或可及。因此，开发一种适用于 LMICs 的宫颈癌筛查技术具有重要意义。
研究方法
研究人员开发了一种便携式漫反射光谱（DRS）系统，该系统成本低于2500美元，使用树莓派提取生物组织的吸收系数（µa）和约化散射系数（µ's）。系统经过了旅行和故意粗暴处理的测试，并用于捕获来自64个组织模拟幻影的320个 DRS 光谱。两名用户收集了幻影数据，一名是生物医学光学领域的“专家”，另一名是“新手”。系统还用于收集来自新鲜体外猪标本的结肠、小肠和直肠组织的335个光谱。使用先前描述的人工智能模型提取光学属性，并使用 GradientBoostingClassifier 识别体外光谱的器官来源。
图 1.（a） 原始 SmartME 系统的图像和 （b） 系统拍摄的氪灯的 DRS 测量值。测量彼此相隔 5 分钟以内，系统在这 5 分钟内没有受到干扰。
图 2.SmartME NextGen 设备。（a） 整个系统的图像，包括随附的光纤探头和 HDMI 触摸屏显示器。（b） 顶部被移除的 SmartME NextGen 的注释图像。（c） 组装的 DRS 子系统。（d） 拆解的 DRS 子系统，突出显示了安装在定制 3D 打印支架内的光学元件。
实验结果
实验结果显示，系统对故意粗暴处理和旅行的对齐非常稳健。无论用户经验如何，幻影的µa和µ's都能以平均均方根误差小于10% 的精度预测。在体外数据方面，系统预测器官来源的准确率为80-90%。在所有三个器官中观察到预测的µa存在统计学差异（p < 0.001-0.03），在两个器官中观察到µ's存在统计学差异（p < 0.001-0.07）。
主要创新点
低成本设计：NextGen DRS 系统的制造成本低于2500美元，不依赖于互联网/蜂窝连接，也不需要染色剂来使用或维护系统。
稳健的波长对齐：系统在经过故意粗暴处理和旅行后，波长对齐依然稳健，无需频繁校准。
用户友好性：无论用户是否具有生物医学光学的专业知识，系统都能以平均均方根误差小于10% 的精度预测组织的光学属性。
快速成像能力：系统能够在不到5秒的时间内捕获和处理图像，并预测光谱的器官来源或量化组织的光学属性。
应用前景
该研究提出的 NextGen DRS 系统在 LMICs 中的宫颈癌筛查中具有广阔的应用前景。系统不仅成本低廉，而且便携、易于使用，能够在没有复杂基础设施的情况下提供可靠的筛查结果。此外，该系统还可以扩展到其他类型的癌症筛查中，为全球健康问题提供新的解决方案。
结语
Allison Scarbrough 团队的这项研究通过开发 NextGen DRS 系统，为宫颈癌筛查提供了一种新的、可负担的、可靠的技术。我们期待这一技术能够在未来的临床应用中发挥重要作用，特别是在资源有限的环境中，为减少宫颈癌的发病率和死亡率做出贡献。
通讯作者简介
Bing Yu，美国马凯特大学/威斯康星医学院生物医学工程系教授，研究方向为光学成像和光谱学、光学内窥镜检查、癌症检测和治疗监测、用于全球健康的微型且经济高效的光学设备。
更多详情见https://mcw.marquette.edu/biomedical-engineering/directory/bing-yu.php
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