Phổ Phản Xạ Khuếch Tán Để Chỉ Dẫn Phẫu Thuật Ung Thư Đại Trực Tràng

Giới thiệu

Trong năm 2020, ung thư đại trực tràng (CRC) chiếm 11,3% trong số các trường hợp ung thư được chẩn đoán và gây ra 10,2% (0,88 triệu) số ca tử vong liên quan đến ung thư. Tình trạng bệnh và tử vong đáng kể liên quan đến CRC xuất phát từ các yếu tố như tái phát ung thư, biến chứng sau phẫu thuật và các điều kiện sức khỏe tiền sự có sẵn ở bệnh nhân. Tỷ lệ sống sót được cải thiện khi phẫu thuật đạt độ phẫu thuật hoàn toàn nhờ các công cụ chỉ dẫn phẫu thuật thời gian thực giúp xác định vị trí ung thư trong quá trình phẫu thuật. Phẫu thuật thông qua mổ cắt nhỏ (LS) hứa hẹn giảm biến chứng phẫu thuật dai dẳng so với phẫu thuật thông qua mổ cắt mở (OS), phương pháp này dễ gây ra biến chứng ngắn hạn.

Hiện nay, quyết định phẫu thuật dựa trên phân tích cấu trúc mô, tuy nhiên, độ chính xác có thể được cải thiện bằng các phương pháp nhận diện mô nhạy cảm với phân tử. Trọng tâm phát triển đặt trên các phương pháp tự động để chỉ dẫn trong quá trình phẫu thuật, cung cấp cho các bác sĩ dấu vết cho từng loại mô theo thời gian thực . Các bác sĩ sau đó có thể tiến hành khảo sát từ các vị trí nghi ngờ chứa ung thư sau khi cắt bỏ, đảm bảo loại bỏ hoàn toàn tế bào ung thư khỏi mỗi bệnh nhân. Trong số các công cụ thời gian thực và nhạy cảm với phân tử hứa hẹn nhất là các công cụ sử dụng phương pháp quang phổ học, đặc biệt là phổ phản xạ khuếch tán (DRS).

Phương pháp thực hiện

DRS sử dụng ánh sáng phản xạ khuếch tán trong mô để trích xuất thông tin cấu trúc và sinh hóa dựa trên tính chất phân tán và hấp thụ ánh sáng. Các tính chất này bao gồm biên độ tán xạ α′, công suất tán xạ Mie b_Mie và đóng góp của tán xạ Rayleigh f_Ray vào tổng tán xạ Mie, liên quan đến cấu trúc bào quan và màng của mô. Tính chất hấp thụ bao gồm tỷ lệ thể tích của các nhiễm sắc thể mô, bao gồm β-caroten, mật, bilirubin và các chất khác.

Lợi ích của DRS trong phẫu thuật ung thư đại trực tràng là không xâm lấn, không yêu cầu cắt bỏ mô, giảm thiểu sự khó chịu và nguy cơ biến chứng cho bệnh nhân, cung cấp phản hồi ngay lập tức cho các bác sĩ trong quá trình phẫu thuật, hỗ trợ trong quyết định, đo lường định lượng giảm thiểu tính chủ quan trong việc xác định khối u và đánh giá ranh giới.

Hệ thống DRS của chúng tôi bao gồm một nguồn sáng dải phổ rộng tungsten-halogen với bức xạ từ 350 đến 2400 nm (HL-2000-HP, Ocean Optics), được kết nối với hai đầu dò quang sợi để gửi ánh sáng từ nguồn tới mô và thu ánh sáng phản xạ từ mô để được phát hiện bởi hai máy phổ. Một máy phổ phát hiện cường độ ánh sáng phản xạ tại bước sóng từ 350 đến 1140 nm (QE-Pro, Ocean Optics) và máy phổ khác phát hiện cường độ ánh sáng trong khoảng bước sóng từ 1090 đến 1920 nm (NIR-Quest, Ocean Optics). Các bước sóng trùng nhau trong khoảng từ 1090 đến 1140 nm được sử dụng để kết hợp hai phổ DRS thu được thành một phổ rộng phổ (350-1920 nm) cho mỗi vị trí mô được đo.

Hình 1. Nguyên lý của hệ thống DRS.

• Nguồn sáng HL-2000-HP:

HL-2000-HP là một nguồn sáng tungsten-halogen hiệu suất cao, được thiết kế để cung cấp một phổ bức xạ rộng từ 350 đến 2400 nm. Nguồn sáng này là một phần của dòng sản phẩm HL-2000 của Ocean Insight, nổi tiếng với độ tin cậy và tính linh hoạt trong các phòng thí nghiệm.

Các tính năng chính của HL-2000-HP bao gồm:

• Bóng tungsten halogen công suất cao với công suất định danh là 20 W.
• Công suất đầu ra điển hình là 8.8 mW và nhiệt độ màu là 3000 K.
• Độ lệch đầu ra quang học ít hơn 0.1% mỗi giờ, đảm bảo hiệu suất ổn định theo thời gian.
• Tuổi thọ bóng ước tính khoảng 1000 giờ, đảm bảo sử dụng lâu dài.
• Thời gian khởi động khoảng 10 phút, sau đó đạt độ ổn định tối ưu.

HL-2000-HP được trang bị một quạt tích hợp để làm mát và duy trì ổn định, bao gồm một kẹp tích hợp để lắp đặt bộ lọc để điều khiển ánh sáng theo nhu cầu. Thiết kế của nó được tối ưu hóa cho ứng dụng quang sợi, với khả năng điều chỉnh tiêu điểm và căn chỉnh đầu nối SMA 905 để tối đa hóa lưu lượng ánh sáng.

Hình 2. Nguồn sáng HL-2000-HP.

• Máy phổ QE Pro:

QE Pro là một máy phổ siêu nhạy, nổi bật với hiệu suất ánh sáng rò thấp và rất phù hợp cho nhiều ứng dụng có mức ánh sáng thấp. Với khoảng bước sóng từ 350 đến 1140 nm, nó đặc biệt hiệu quả cho các nhiệm vụ như huỳnh quang, trình tự DNA và phân tích Raman.
Các tính năng chính của QE Pro bao gồm:

• Bộ cảm biến CCD nằm phía sau mỏng với hiệu suất lượng tử cao.
• Bộ đệm phổ tích hợp để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu ở tốc độ thu thập cao.
• Làm mát nhiệt điện để đảm bảo ổn định nhiệt độ, điều quan trọng cho việc đo chính xác.
• Dải động khoảng 85000:1, cho phép phát hiện cả tín hiệu mạnh và yếu.
• Tỷ lệ tín hiệu-gi-no (signal-to-noise ratio) lớn hơn 1000:1 trên mỗi lần thu thập, đảm bảo dữ liệu rõ ràng và chính xác.

Thiết kế của QE Pro cho phép linh hoạt và tùy chỉnh, với tùy chọn lỗ hẹp có thể thay thế và có thể lắp đặt shutter nội bộ tùy chọn. Điều này biến nó thành một công cụ linh hoạt cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia yêu cầu một máy phổ đáng tin cậy và hiệu suất cao cho các ứng dụng chuyên biệt của họ.

Hình 3. QEPro spectrometer.

• Máy quang phổ NIR-Quest

Dòng máy quang phổ NIRQuest là dòng máy quang phổ cận hồng ngoại được thiết kế cho các ứng dụng có độ nhạy cao trong nhiều ngành công nghiệp. Máy quang phổ NIRQuest được biết đến với hiệu suất mạnh mẽ, đặc biệt ở dải bước sóng từ 1090 đến 1920 nm, khiến chúng phù hợp cho các ứng dụng như phân tích độ ẩm trong nông nghiệp, nhận dạng nhựa trong tái chế và đo nồng độ hóa học.

Các tính năng chính của máy quang phổ NIRQuest bao gồm:

• Độ nhạy cao nhờ thiết kế khẩu độ và băng quang học cải tiến, cho phép giới hạn phát hiện thấp hơn.
• Độ ổn định nhiệt với khả năng làm mát bằng nhiệt điện đến -20 °C, đảm bảo dòng tối thấp và hiệu suất đáng tin cậy theo thời gian.
• Các ứng dụng linh hoạt nhờ khả năng tương thích với dòng nguồn sáng, sợi quang và phụ kiện lấy mẫu cơ bản.
• Các mẫu được cấu hình sẵn bao gồm các phạm vi bước sóng khác nhau, bao gồm phạm vi cụ thể 1090-1920 nm, để phục vụ cho nhiều ứng dụng NIR khác nhau.

Dòng NIRQuest là một phần trong cam kết của Ocean Insight trong việc cung cấp các giải pháp quang phổ tiên tiến và nó đại diện cho thế hệ máy quang phổ NIR tiếp theo với hiệu suất và tính linh hoạt được cải thiện.

Hình 4. NIRQuest spectrometer.

Kết luận

Bằng cách sử dụng phương pháp phổ phản xạ khuếch tán rộng (DRS), chúng tôi đã đánh giá các thông số cấu trúc và sinh hóa chính để phân tách ung thư đại trực tràng (CRC) trong phẫu thuật. Chúng tôi đã phân loại các mô CW, mỡ và khối u dựa trên các giá trị ngưỡng của f_lipid, R_vessel, α', và b_Mie, được xác định là các thông số quan trọng trong cả cây quyết định của đầu dò 1 và đầu dò 2. Đầu dò 1 nhắm vào các mô bề mặt (sâu 0.5-1 mm), trong khi đầu dò 2 tập trung vào các lớp mô sâu hơn (sâu 0.5-2 mm).

Kết quả của chúng tôi đã chứng minh hiệu suất phân loại cao, với đầu dò 1 đạt được độ nhạy 95.9 ± 0.7%, độ đặc hiệu 98.9 ± 0.3%, độ chính xác 90.2 ± 0.4% và AUC 95.5 ± 0.7%, và đầu dò 2 đạt được độ nhạy 96.9 ± 0.8%, độ đặc hiệu 98.9 ± 0.2%, độ chính xác 94.0 ± 0.4% và AUC 96.7 ± 0.4%. Các nghiên cứu trong tương lai nên xác nhận các chỉ số này trên thực thể sử dụng DRS và/hoặc kỹ thuật hình ảnh siêu phổ trong quá trình phẫu thuật laparoscopy, phẫu thuật mở và phẫu thuật robotic.