一、病理診斷的速度困境

臨床病理診斷長期依賴H&E染色和免疫組化（IHC）。這兩種方法成熟、普及，但也有局限：染色過程依賴操作者經(jīng)驗(yàn)，不同實(shí)驗(yàn)室間存在批次差異；免疫組化從制片到出結(jié)果通常需要2-3天，難以滿足術(shù)中快速診斷的需求；更重要的是，染色過程本質(zhì)上是對組織化學(xué)信息的"翻譯"和"過濾"——染料只標(biāo)記特定靶點(diǎn)，大量分子層面的原始信息在染色步驟中被丟失。

近二十年來，紅外光譜成像被視為一種潛在的補(bǔ)充手段。其原理直接而明確：組織中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等生物大分子在中紅外波段具有特征性的振動吸收，通過測量這些吸收信號，可以在不染色、不標(biāo)記的情況下獲得組織切片的化學(xué)組成分布圖。然而，傳統(tǒng)紅外顯微成像一直未能進(jìn)入臨床工作流，核心瓶頸在于速度?；诟道锶~變換紅外光譜（FT-IR）的顯微系統(tǒng)使用Globar熱輻射光源，光通量有限，采集一個2×2 mm2的組織區(qū)域通常需要數(shù)小時。對病理科而言，這種時間尺度不具備可操作性。

二、QCL紅外顯微：速度的革命

量子級聯(lián)激光器（QCL）的出現(xiàn)改變了這一局面。與Globar相比，QCL是一種相干中紅外光源，具有高亮度、窄線寬、快速可調(diào)諧的特點(diǎn)。QCL的亮度比Globar高約5個數(shù)量級，這是速度提升的根本來源。將QCL集成到紅外顯微鏡中，可以用激光直接照明樣品，配合焦平面陣列（FPA）探測器實(shí)現(xiàn)寬場采集，從根本上提升了信號采集效率。

2018年，德國波鴻魯爾大學(xué)（Ruhr University Bochum）生物物理系的Kuepper和Kallenbach-Thieltges等人在《Scientific Reports》上發(fā)表了一項(xiàng)系統(tǒng)性驗(yàn)證研究，使用商業(yè)化的Spero QT QCL紅外顯微系統(tǒng)（Daylight Solutions），對來自110位患者的120份結(jié)直腸癌組織樣本進(jìn)行了無標(biāo)記自動分類分析。

該系統(tǒng)配置為：4×物鏡（NA 0.3），視場2×2 mm2；探測器為480×480像素未制冷微測輻射熱計(jì)陣列；全譜采集范圍1800-948 cm?1，光譜分辨率2 cm?1。

速度對比：從90小時到47秒

在該系統(tǒng)下，一個2×2 mm2視場的全譜數(shù)據(jù)采集時間縮短至47秒。作為對比，使用相近像素尺寸和相近光譜質(zhì)量的FT-IR成像系統(tǒng)，同等面積采集約需5400分鐘（90小時）。QCL方案的速度提升約為160倍（若考慮Spero QT更小的像素尺寸，提升可達(dá)260倍）。對于更大的組織切片（如4 cm2），在4 cm?1分辨率下可在34分鐘內(nèi)完成可靠標(biāo)注。

表1：FT-IR顯微與QCL紅外顯微速度對比?

三、兩級隨機(jī)森林：從光譜到診斷

組織分類不是簡單地對每個像素判斷"是癌/非癌"。Kuepper等人設(shè)計(jì)了兩級隨機(jī)森林分類器：第一級區(qū)分健康組織類型與病理區(qū)域，第二級在病理光譜中進(jìn)一步識別癌變區(qū)域。這種分層設(shè)計(jì)更貼近組織形態(tài)學(xué)的實(shí)際——先完成大類組織分割，再對可疑區(qū)域進(jìn)行精細(xì)判定。

研究納入120份樣本，其中100份為結(jié)直腸癌樣本（主要來自UICC II/III期原發(fā)腫瘤），20份為無腫瘤組織切片。樣本為FFPE組織塊切成的7 μm薄切片，脫蠟后置于帶1.4 μm PET膜的載玻片上。

光譜處理采用標(biāo)準(zhǔn)紅外病理工作流：基于擴(kuò)展多信號校正（EMSC）進(jìn)行Mie散射校正，主要分析1750-1000 cm?1指紋區(qū)。以組織病理結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，在99份患者樣本上得到：

表2：QCL紅外顯微無標(biāo)記組織分類性能

3例假陰性均來自腫瘤含量很低的樣本，且IR成像切片與H&E染色切片來自相鄰層面，可能進(jìn)一步降低了可見腫瘤比例。研究人員設(shè)定判定閾值為腫瘤細(xì)胞像素超過2%，以避免光譜噪聲導(dǎo)致的誤判。

圖1：結(jié)直腸癌組織100秒紅外快速分型結(jié)果。分別展示癌變與無瘤組織的H&E染色、一級與二級隨機(jī)森林分型及疊加成像結(jié)果。QCL紅外成像可精準(zhǔn)區(qū)分腫瘤、炎性浸潤、結(jié)締組織、肌層、隱窩及腸腔結(jié)構(gòu)，分型結(jié)果與病理醫(yī)師判讀高度一致。

四、可轉(zhuǎn)移性：從一臺儀器到多臺儀器

臨床工具不能依賴單臺儀器或單個操作者。研究團(tuán)隊(duì)使用第二臺Spero QT系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，并由三名操作者獨(dú)立完成測量。結(jié)果顯示，靈敏度和特異性有輕微波動，但總體分類結(jié)果保持一致。這意味著該流程具備跨儀器、跨操作者的穩(wěn)定性——是紅外組織標(biāo)注進(jìn)入臨床流程前的重要前提。

圖2：無標(biāo)記組織分型方法的儀器間可移植性驗(yàn)證。采用兩臺Spero QT儀器對同一組織切片進(jìn)行重復(fù)檢測，對比兩臺設(shè)備的一級組織分型與二級腫瘤識別結(jié)果，成像差異微小，證實(shí)該檢測方法穩(wěn)定性好、跨設(shè)備一致性佳。

此外，研究人員還提出了一種更快的分級工作流：先用1656 cm?1（酰胺I帶）進(jìn)行單波長概覽成像，約1分鐘獲得1.4×2 cm樣本圖，用于快速定位可疑區(qū)域；隨后對2×2 mm2感興趣區(qū)域進(jìn)行完整光譜測量和分類（約50秒）。從樣本準(zhǔn)備到光譜診斷有望壓縮到數(shù)分鐘量級。

五、QSweep：集成化模塊設(shè)計(jì)的新路徑

在上述研究中，Spero QT系統(tǒng)覆蓋1800-948 cm?1的全波段。這種多芯片架構(gòu)在擴(kuò)大覆蓋范圍的同時，也增加了系統(tǒng)的光學(xué)復(fù)雜度、成本和校準(zhǔn)難度。對于面向特定診斷頻率或指紋區(qū)應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)，集成化EC-QCL模塊在工程實(shí)現(xiàn)上具備優(yōu)勢。

寧波海爾欣光電科技有限公司推出的QSweep系列EC-QCL模塊，其4-12 μm（約833-2500 cm?1）的寬調(diào)諧范圍可完整覆蓋中紅外指紋區(qū)。QSweep采用集成化模塊設(shè)計(jì)，將多芯片封裝于統(tǒng)一模塊內(nèi)，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇配置。相比分散式多芯片組合，集成化模塊減少了外部光路接口數(shù)量，簡化了系統(tǒng)對準(zhǔn)和日常校準(zhǔn)流程；模塊內(nèi)部的芯片銜接經(jīng)過優(yōu)化，波數(shù)連續(xù)性和功率一致性更易保障。

QSweep在1040 cm?1處提供約70 mW的峰值功率，滿足寬場成像信噪比需求；波數(shù)重復(fù)性方面，10個波數(shù)點(diǎn)四輪測量平均極差為0.35 cm?1，優(yōu)于分類模型跨設(shè)備對齊所需的亞cm?1精度。對于離散頻率成像策略，在統(tǒng)一模塊內(nèi)切換頻率無需外部光路調(diào)整，響應(yīng)更快且輸出穩(wěn)定。

圖4：海爾欣QSweep模塊波數(shù)重復(fù)性測試（10點(diǎn)四輪測量極差分布）

六、結(jié)語

QCL紅外顯微已經(jīng)在多項(xiàng)研究中證明：它可以在不染色、不標(biāo)記的條件下，以分鐘級時間完成組織切片的自動分類，靈敏度達(dá)到96%、特異性100%。它的價值不只是"更快的紅外成像"，而是讓無標(biāo)記分子病理診斷接近了真實(shí)臨床工作流可接受的時間尺度。從光源角度看，足夠的功率支撐寬場信噪比、穩(wěn)定的波數(shù)輸出保障批量設(shè)備間一致性、寬調(diào)諧能力支持多波長成像策略，是這一方向?qū)C-QCL的核心訴求。

參考文獻(xiàn)

1. Kuepper C., Kallenbach-Thieltges A. et al. "Quantum Cascade Laser-Based Infrared Microscopy for Label-Free and Automated Cancer Classification in Tissue Sections." Scientific Reports 8, 7717 (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-26098-w

2. Yeh K., Kenkel S., Liu J.-N., Bhargava R. "Fast Infrared Chemical Imaging with a Quantum Cascade Laser." Analytical Chemistry 87, 485-493 (2015). DOI: 10.1021/ac5027513

3. Wysocki G. et al. "Widely tunable mode-hop free external cavity quantum cascade lasers for high resolution spectroscopy and chemical sensing." Applied Physics B 92, 305-311 (2008). DOI: 10.1007/s00340-008-3047-x

本文圍繞公開學(xué)術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行技術(shù)解讀，數(shù)據(jù)均來源于已發(fā)表論文。關(guān)于QSweep光源模塊在該應(yīng)用方向上的具體波段適配和測試數(shù)據(jù)，歡迎進(jìn)一步交流。

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