"Tekniken för Raman-spektroskopi - i kombination med nya maskininlärningsmetoder - tar sig in i operationssalar i snabb takt, med utsikten att förbättra noggrannheten av kirurgiska ingrepp i ett brett spektrum av onkologiska tillämpningar, inklusive neurokirurgi, säger Frédéric Leblond, professor i teknisk fysik vid Polytechnique Montréal. Hans teams nya papper syftar till att påskynda upptaget av Raman-spektroskopi inom biomedicin genom att öka det förtroende som läkare kan ha för resultaten.

Uppkallad efter den indiske fysikern C.V. Raman, som först observerade Raman-spridningen 1928, Ramanspektroskopi använder en högintensiv laser för att undersöka molekyler. Ljuset som sprids tillbaka av molekylerna ger information om deras struktur och bindning, så Ramanspektroskopi kan användas för att känna av och identifiera kemiska förändringar. Inom medicin, denna spridningsteknik ger "kemiska fingeravtryck" av celler, vävnader, eller biovätskor, ge forskare rik biomolekylär information som kan avslöja orsaker och effekter av sjukdomar.

Jämfört med andra analytiska tekniker som histologi, röntgenstrålar, MRI, och PET-skanningar, Ramanspektroskopi erbjuder flera fördelar inklusive att vara icke-invasiv och icke-destruktiv, och använda icke-joniserande strålning. Det finns vanligtvis ingen provberedning, och forskare kan välja hur mycket eller lite av ett prov som ska analyseras. Dessutom, nästan allt material uppvisar Raman-spridning. Rena metaller reflekterar bara ljus, men metallurger kan använda Raman-spektroskopi eftersom karbider, nitrider, och oxider kommer att sprida Raman.

Trots dessa fördelar, Ramanspektroskopi är en lågsignalteknik som kräver relativt långa insamlingstider och, tills nu, det har inte funnits något effektivt sätt att övervaka och säkerställa intraoperativ Raman-signalkvalitet. Detta underskott hämmar klinisk översättning av tekniken genom att begränsa förmågan att träna robusta och exakta maskininlärande cancerdetekteringsmodeller. Det begränsar också tillförlitligheten av intraoperativ datainsamling, ofta kräver extra personal för att visuellt övervaka datakvaliteten live under en procedur.

Mätning av signalkvalitet

I en ny artikel i SPIE Journal of Biomedical Optics (JBO), Leblond och hans team tar upp denna fråga och beskriver sina ansträngningar att utveckla en kvantitativ metod för att utvärdera Raman-signalkvaliteten baserad på variansen som är förknippad med stokastiskt brus i viktiga vävnadsband.

"Allt för ofta, akademiska studier främjar optiska verktyg för medicin, men ta inte en noggrann titt på kvaliteten på de spektraldata som används för att fatta beslut, säger Brian Pogue, MacLean professor i teknik vid Thayer School of Engineering i Dartmouth och chefredaktör för JBO. "Inom området Raman-spektroskopi, detta kan vara särskilt viktigt eftersom datan i sig är signal-till-brus begränsad, och mycket komplex till sin natur. Det finns många molekylära resonanstoppar i spektrumet och de överlappar varandra och vissa har mycket liten signalintensitet. Att utveckla automatiserade dataanalysverktyg för att säkerställa att de uppmätta spektraldata har tillräckligt hög kvalitet för att fatta ett medicinskt beslut är mycket viktigt eftersom dessa nya tekniker är avancerade till kliniska prövningar."

Uppsatsen beskriver utvecklingen av en ny teknik som entydigt kan kvantifiera Raman-datakvaliteten baserat på signalen som är associerad med specifika molekylära egenskaper hos signalen - specifikt närvaron av vissa protein- och lipidband. Denna metod kan användas för att automatiskt övervaka Raman-signalkvaliteten under kirurgiska ingrepp och visades förbättra noggrannheten vid upptäckt av hjärncancer.

Kvantifiera kvaliteten

För att testa metoden, teamet använde en datauppsättning av 315 in situ-spektra från 44 hjärncancerpatienter som förvärvats med en enda punkt, handhållet Raman-spektroskopi-sondsystem utvecklat av Leblond och hans team. Innan de presenteras för tre oberoende granskare för kvalitativ utvärdering, spektra blandades slumpmässigt och deras tilldelade patologietikett gömdes. Specifika kriterier såsom visuell bedömning av allestädes närvarande Raman-vävnadstoppar användes.

I ett annat test, 15 hjärnmätningar in vivo gjordes under operation för glioblastom hos en patient för att utvärdera antalet upprepade mätningar på Raman-signal-brusförhållandet. De fann att deras metod kan separera hög- och lågkvalitativa spektra med en sensitivitet på 89 % och en specificitet på 90 % – detta kan öka cancerdetekteringskänsligheten och specificiteten med upp till 20 % och 12 %, respektive.

"Denna nya studie av Fred Leblond och hans forskargrupp vid Polytechnique Montreal och CHUM Research Center främjar konceptet att göra medicinska diagnoser-baserade spektrala mätningar som valideras av kvalitetsmått för data, " säger Pogue. "Denna grupp har gjort några av de mest banbrytande studierna i att använda Raman-spektroskopi inom neurokirurgi, och de har en serie publikationer som främjar varje aspekt av instrumenteringen, verktygen för dataanalys och visualisering, och att avancera de kliniska prövningarna. Det här aktuella dokumentet fokuserar på den viktiga underbesökta frågan om att testa och kvantifiera kvaliteten på spektra som det används för beslutsfattande inom medicin."