基于LIBS技术的淋巴瘤鉴别诊断与乳腺癌组织聚类分析研究
发布时间：2021-08-09 01:07
癌症的早发现、早诊断对提高患者预后、降低死亡率意义重大。激光诱导击穿光谱技术（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）由于具有实时在线检测、多元素同时探测等优势,是一种新兴的癌症诊断技术。基于血清样本的分期和分型研究可大幅拓展LIBS癌症诊断应用范围,但尚未见公开报道。LIBS与聚类分析相结合可实现癌症组织的自动病理诊断,但其准确性仍有待提高。本文在前期工作基础上,开展了基于血清LIBS光谱的淋巴瘤鉴别诊断和乳腺癌组织聚类分析研究,以期拓展血清LIBS癌症诊断的应用范围,提高肿瘤组织LIBS病理诊断的正确率。本文首先介绍了LIBS技术在癌症诊断、组织元素成像领域的研究进展,分析了聚类分析在癌症领域的研究现状,提出了本文的研究内容。其次,介绍了LIBS的物理机制,给出了常用的数据挖掘方法及评估指标,重点包括k近邻、支持向量机、神经网络等分类算法和k均值聚类、k中心点聚类、层次聚类、模糊C均值聚类等聚类算法。再次,开展了基于血清LIBS光谱的淋巴瘤鉴别诊断研究。优化了用于血清样本分析的LIBS实验参数,包括样本基底、血清涂抹次数、氛围气体流量和探...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
肺、淋巴结、脾脏血清和匀浆探测信噪比[23]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-明显。作者猜想Ca含量高的原因是由于癌变导致细胞增殖促使细胞成分和细胞器增多导致的，而Mg在蛋白的生物合成和担任酶的催化剂中起着重要作用，细胞增殖会导致大量酶的合成。ImamH[25]等人对30例小叶癌和导管癌样本进行LIBS检测，发现恶性肿瘤中微量元素Ca、Zn、Cu、Mn、Fe的含量高于正常组织。对于Zn、Mn含量的增加，作者归因于其为RNA及DNA酶的辅助因子，而Fe含量的增加给出两种解释其一是Fe在诱变自由基中的催化作用以及对宿主的抑制作用；其二是乳腺癌细胞需要合成DNA关键酶需要高水平的Fe浓度维持。接下来作者通过研究正常组织与恶性组织中微量元素的强度比值的差异利用投票算法来对肿瘤进行分类，以100%的正确率诊断癌症和健康组织。这说明癌变导致细胞机制的变化使得LIBS技术对于癌症组织和健康组织元素含量差异的探测有较高的灵敏度，为肿瘤和非肿瘤的区分奠定基矗图1-4归一化后患黑色素瘤和真皮组织CaII、MgII强度比较（颗粒、组织切片）[24]哈尔滨工业大学李晓晖等人[26]等人以淋巴瘤、多发性骨髓瘤血清为研究对象，选择LIBS光谱中Ca、Na、K等24条原子线并结合PCA、LDA、kNN等多种化学计量学方法，进行恶性肿瘤诊断，用10倍交叉验证对模型的性能进行评价，kNN模型以96.0%的鉴别率获得了最佳结果。对于淋巴瘤，ROC曲线下面积AUC为
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-0.990，敏感性为0.970，特异性为0.956。对于多发性骨髓瘤，对应的值0.986，0.892，0.994。结果表明，血清LIBS技术可作为一种快速、低侵入性、鲁棒性强的诊断和鉴别人类恶性肿瘤的方法。1.2.2LIBS生物组织元素成像BusserB[27]等人利用LIBS多元素成像技术对石蜡包埋的皮肤肉芽瘤、假性淋巴瘤中异物进行表征。图1-5为儿童疫苗接种部位的肉芽瘤组织(a)和脱敏治疗部位的慢性炎症病变的真皮深层结节性淋巴组织(b)的病理学模式。通过分析可以发现，作为细胞的组成元素，Na的元素图与苏木精-伊红染色的组织切片有很好的重叠。作为疫苗的标准佐剂，Al是引起过敏、注射部位肿胀、瘙痒等不良影响的病原体。在这两种组织中，Al元素成像结果与染色后含有组织细胞和胞浆内蓝色颗粒的区域完全匹配，有助于病理学家原位观察Al元素定位和水平，这说明LIBS技术对生物组织进行元素成像可以辅助医学手段检测组织中外源异物。图1-5皮肤(a)肉芽肿和(b)假淋巴瘤的组织病理学形态学特征及元素图像[27]GimenezY[28]等人利用LIBS技术首先对经环氧树脂固定和包埋的小鼠肾脏切片进行了Gd-NPs的元素分布研究，发现Gd位于皮质(肾脏周围区域)和髓质特定区域(中心区域)。在皮层中，Gd的分布不均匀，在髓质中，Gd只存在于收集管周围的区域(图1-6(a)b中黄色箭头所示)。除检测纳米颗粒外，Ca是组织的组成元素，在器官中分布均匀，更集中于肾小体(图1-6(a)b中白色箭头所示)，提供了关于解剖结构的信息。其次作者对样品每200m进行1次切片（图1-6(b)），对各个剖面进行独立定量分析，得到相应的元素质量及分布图，并将元素图相叠加，构建Gd、Ca、Na的三维图像，如图1-6(a)所示。这说明LIBS使全局组织结构可视化成为(b))AA(a)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于权重差异度的动态模糊聚类算法[J]. 刘良凤,刘三阳. 吉林大学学报(理学版). 2019(03)
[2]浅析纳米材料在癌症诊断与治疗方面的应用[J]. 刘嘉豪. 科技传播. 2019(04)
[3]基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术研究进展[J]. 罗贤锋,游利兵,徐健,方晓东,罗乐. 激光技术. 2020(01)
[4]支持向量机结合主成分分析辅助激光诱导击穿光谱技术识别鲜肉品种[J]. 朱毅宁,杨平,杨新艳,李嘉铭,郝中骐,李秋实,郭连波,李祥友,曾晓雁,陆永枫. 分析化学. 2017(03)
[5]一种新的特征提取方法[J]. 张晓东,宋晓霞,王尧. 遥感信息. 2016(02)
[6]基于K均值聚类算法提取CT图像的肺部肿瘤[J]. 李玲,余后强. 甘肃科学学报. 2015(01)
[7]乳腺肿瘤超声图像纹理特征分析[J]. 陈秋霞,向军,刘奇,刘剑. 激光杂志. 2014(03)
博士论文
[1]分类变量数据聚类内部评价及算法研究[D]. 杨明瀚.北京科技大学 2019
[2]基于基因组数据的癌症亚型发现聚类研究[D]. 许桃胜.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]基于LIBS技术的乳腺癌组织元素成像和聚类分析研究[D]. 杨思博.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于模糊算法和径向基神经网络的聚类研究[D]. 毛颖超.大连理工大学 2019
[3]基于结构相似度的遥感图像质量评价[D]. 史小雨.西安科技大学 2017
[4]基于稀疏低秩回归方法的肿瘤亚型聚类分析[D]. 葛曙光.安徽大学 2017
[5]基于基因表达水平的肿瘤分类问题研究[D]. 陈小梅.福建农林大学 2012
本文编号：3331048
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
肺、淋巴结、脾脏血清和匀浆探测信噪比[23]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-明显。作者猜想Ca含量高的原因是由于癌变导致细胞增殖促使细胞成分和细胞器增多导致的，而Mg在蛋白的生物合成和担任酶的催化剂中起着重要作用，细胞增殖会导致大量酶的合成。ImamH[25]等人对30例小叶癌和导管癌样本进行LIBS检测，发现恶性肿瘤中微量元素Ca、Zn、Cu、Mn、Fe的含量高于正常组织。对于Zn、Mn含量的增加，作者归因于其为RNA及DNA酶的辅助因子，而Fe含量的增加给出两种解释其一是Fe在诱变自由基中的催化作用以及对宿主的抑制作用；其二是乳腺癌细胞需要合成DNA关键酶需要高水平的Fe浓度维持。接下来作者通过研究正常组织与恶性组织中微量元素的强度比值的差异利用投票算法来对肿瘤进行分类，以100%的正确率诊断癌症和健康组织。这说明癌变导致细胞机制的变化使得LIBS技术对于癌症组织和健康组织元素含量差异的探测有较高的灵敏度，为肿瘤和非肿瘤的区分奠定基矗图1-4归一化后患黑色素瘤和真皮组织CaII、MgII强度比较（颗粒、组织切片）[24]哈尔滨工业大学李晓晖等人[26]等人以淋巴瘤、多发性骨髓瘤血清为研究对象，选择LIBS光谱中Ca、Na、K等24条原子线并结合PCA、LDA、kNN等多种化学计量学方法，进行恶性肿瘤诊断，用10倍交叉验证对模型的性能进行评价，kNN模型以96.0%的鉴别率获得了最佳结果。对于淋巴瘤，ROC曲线下面积AUC为
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-0.990，敏感性为0.970，特异性为0.956。对于多发性骨髓瘤，对应的值0.986，0.892，0.994。结果表明，血清LIBS技术可作为一种快速、低侵入性、鲁棒性强的诊断和鉴别人类恶性肿瘤的方法。1.2.2LIBS生物组织元素成像BusserB[27]等人利用LIBS多元素成像技术对石蜡包埋的皮肤肉芽瘤、假性淋巴瘤中异物进行表征。图1-5为儿童疫苗接种部位的肉芽瘤组织(a)和脱敏治疗部位的慢性炎症病变的真皮深层结节性淋巴组织(b)的病理学模式。通过分析可以发现，作为细胞的组成元素，Na的元素图与苏木精-伊红染色的组织切片有很好的重叠。作为疫苗的标准佐剂，Al是引起过敏、注射部位肿胀、瘙痒等不良影响的病原体。在这两种组织中，Al元素成像结果与染色后含有组织细胞和胞浆内蓝色颗粒的区域完全匹配，有助于病理学家原位观察Al元素定位和水平，这说明LIBS技术对生物组织进行元素成像可以辅助医学手段检测组织中外源异物。图1-5皮肤(a)肉芽肿和(b)假淋巴瘤的组织病理学形态学特征及元素图像[27]GimenezY[28]等人利用LIBS技术首先对经环氧树脂固定和包埋的小鼠肾脏切片进行了Gd-NPs的元素分布研究，发现Gd位于皮质(肾脏周围区域)和髓质特定区域(中心区域)。在皮层中，Gd的分布不均匀，在髓质中，Gd只存在于收集管周围的区域(图1-6(a)b中黄色箭头所示)。除检测纳米颗粒外，Ca是组织的组成元素，在器官中分布均匀，更集中于肾小体(图1-6(a)b中白色箭头所示)，提供了关于解剖结构的信息。其次作者对样品每200m进行1次切片（图1-6(b)），对各个剖面进行独立定量分析，得到相应的元素质量及分布图，并将元素图相叠加，构建Gd、Ca、Na的三维图像，如图1-6(a)所示。这说明LIBS使全局组织结构可视化成为(b))AA(a)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于权重差异度的动态模糊聚类算法[J]. 刘良凤,刘三阳. 吉林大学学报(理学版). 2019(03)
[2]浅析纳米材料在癌症诊断与治疗方面的应用[J]. 刘嘉豪. 科技传播. 2019(04)
[3]基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术研究进展[J]. 罗贤锋,游利兵,徐健,方晓东,罗乐. 激光技术. 2020(01)
[4]支持向量机结合主成分分析辅助激光诱导击穿光谱技术识别鲜肉品种[J]. 朱毅宁,杨平,杨新艳,李嘉铭,郝中骐,李秋实,郭连波,李祥友,曾晓雁,陆永枫. 分析化学. 2017(03)
[5]一种新的特征提取方法[J]. 张晓东,宋晓霞,王尧. 遥感信息. 2016(02)
[6]基于K均值聚类算法提取CT图像的肺部肿瘤[J]. 李玲,余后强. 甘肃科学学报. 2015(01)
[7]乳腺肿瘤超声图像纹理特征分析[J]. 陈秋霞,向军,刘奇,刘剑. 激光杂志. 2014(03)
博士论文
[1]分类变量数据聚类内部评价及算法研究[D]. 杨明瀚.北京科技大学 2019
[2]基于基因组数据的癌症亚型发现聚类研究[D]. 许桃胜.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]基于LIBS技术的乳腺癌组织元素成像和聚类分析研究[D]. 杨思博.哈尔滨工业大学 2019
[2]基于模糊算法和径向基神经网络的聚类研究[D]. 毛颖超.大连理工大学 2019
[3]基于结构相似度的遥感图像质量评价[D]. 史小雨.西安科技大学 2017
[4]基于稀疏低秩回归方法的肿瘤亚型聚类分析[D]. 葛曙光.安徽大学 2017
[5]基于基因表达水平的肿瘤分类问题研究[D]. 陈小梅.福建农林大学 2012
本文编号：3331048
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shengwushengchang/3331048.html
最近更新
教材专著
