基于拉曼光谱的炎症性肠病人工智能系统

1. 背景和基本原理 炎症性肠病 (IBD) 是慢性炎症性疾病，可分为溃疡性结肠炎 (UC)、克罗恩病 (CD) 和不确定性结肠炎 (IC)。 UC 的特征是从直肠远端开始的慢性粘膜炎症，向近端连续延伸一段不同的距离，通常在发炎和非发炎粘膜之间有一个突然的分界。 CD 的特征是慢性肉芽肿性炎症的不连续节段，可以是透壁的，除结肠外还累及小肠以及上消化道。 1 当难以区分 UC 和 CD 时，使用术语 IC。 UC、CD 和 IC 是慢性、进行性和致残性疾病。 治疗需要超越症状控制，旨在治疗内镜/宏观病变，最终目的是预防结构损伤和残疾，从而改善长期临床结果。 尽管内镜缓解是目前的治疗目标，但新出现的数据表明，通过组织学缓解实现深​​度缓解，而不仅仅是内镜缓解，可能会带来额外的好处。 与临床和生物活动密切相关的常用内窥镜严重程度系统包括改良梅奥内窥镜评分6和溃疡性结肠炎内窥镜严重程度指数 (UCEIS) 以及克罗恩病内窥镜严重程度指数 (CDEIS) 和简化内窥镜活动评分CD 的克罗恩病 (SES-CD)。 然而，观察者间的差异仍然是这些视觉分数的一个重要限制。 此外，内镜缓解和组织学缓解之间也可能缺乏一致性。 患有长期结肠炎的 IBD 患者有发生异型增生和结直肠癌 (CRC) 的风险。 多项病例对照研究和基于人群的队列研究表明，内窥镜监测可提高结肠癌风险增加的 IBD 患者的 CRC 相关生存率。 内窥镜监测被国际胃肠协会广泛推荐用于早期发现和切除异型增生或 CRC。 然而，与非 IBD 患者不同，在结肠镜检查中诊断 IBD 患者的异型增生可能具有挑战性，因为异型增生通常表现为无蒂的病变，只有细微的可见变化，甚至由于周围的炎症、疤痕、假性息肉而看不见，或增生。 尽管高清白光内窥镜和色素内窥镜是目前的标准成像方式，但在提高异型增生的内窥镜诊断以及提高内窥镜和组织学缓解的一致性方面仍有差距需要弥合。

拉曼光谱是一种非弹性光散射技术，能够提供生物组织分子组成和结构的特定光谱指纹。 当光能入射到组织上时，光能被吸收并随后散射。 大部分能量以弹性方式散射，但少量 (<1%) 以非弹性方式散射。 这种非弹性散射被称为拉曼散射，并通过与不同分子组成相关的波长偏移来测量。 例如，850 - 1150、1200 - 1500 和 1600 - 1750 cm-1 的光谱范围分别对应与蛋白质、核酸和脂质相关的信号。 癌组织与较高的代谢率相关，因此与非癌组织的分子组成不同。 通过研究组织的拉曼光谱（也用作生物指纹），研究人员可以确定组织是癌性的还是非癌性的。 拉曼光谱已被报道用于离体结直肠组织表征和诊断。 Molckovsky 等人应用内窥镜兼容拉曼探头在体内鉴别诊断腺瘤和增生性息肉，但获得的组织拉曼光谱仅限于所谓的指纹 (FP) 范围（即 800-1800 cm-1），并且采集时间很长（> 5 秒），这对于常规临床内窥镜检查来说是不切实际的。 由于本质上非常弱的组织拉曼信号和内部器官压倒性的组织自发荧光 (AF)，FP 拉曼光谱的诊断效率可能会受到影响。 除了结直肠肿瘤外，拉曼光谱还在 IBD 的背景下进行了小规模的体外和体内研究，在区分粘膜愈合和炎症以及区分 UC 和 CD 方面取得了有希望的结果。然而，这些 IBD 相关研究面临与结直肠肿瘤研究类似的局限性，尤其是在有效体内诊断的实用性方面。 最近的注意力集中在高波数 (HW) 范围（例如 2800-3600 cm-1）的使用上，因为 HW 光谱范围表现出更强的组织拉曼信号，同时来自组织 AF 和光纤探头的背景干扰更少. 将 FP 和 HW 拉曼技术结合用于体内组织拉曼测量有多种基本原理： (ii) FP 和 HW 拉曼光谱提供互补的生物分子信息，结合 FP/HW 拉曼技术可以改善组织表征和诊断。 最近，一种新型的第二代 785 nm 激发拉曼内窥镜可以同时测量 FP 拉曼光谱（即 800-1800 cm-1）和高波数 (HW)（即 2800-3600 cm-1）拉曼开发了实时（< 0.5 秒）光谱，用于改善结肠镜检查期间的体内组织表征和诊断。 同步 FP/HW 拉曼技术与 1.8 毫米内窥镜兼容的光纤拉曼探头与蓝宝石球透镜相结合，用于探测与发育不良相关的结直肠组织表面下的生物分子特征。 这已被用于创建 SPECTRA IMDx 系统，该系统在细胞水平上询问组织，并利用分子信息在结肠镜检查期间为医生提供实时的体内可操作信息。 SPECTRA IMDx 由激光系统、光谱仪、安装了分析算法的计算机和其他辅助部件组成。 SPECTRA IMDx 探头与主系统相连。 SPECTRA IMDx 探头是光纤和光学元件的组合，其布置用于最大程度地传输光能。 使用时，激光系统会发出785nm的近红外激光，通过SPECTRA IMDx探头传输到远端。 当激光照射到组织表面时，光能被吸收和反射。 然后从 SPECTRA IMDx 探头的远端收集反射能量，传输回主系统，并通过光谱仪。 然后处理收集到的信号以获得用于诊断分类的干净拉曼信号。

目前缺乏关于这项新技术在 IBD 背景下应用的数据。 具体而言，与标准内窥镜检查相比，生成的光谱信号是否可用于更好地对疾病缓解进行分类，从而实现与组织学的更高一致性。 还不清楚该技术是否可用于区分 IBD 患者的发育不良粘膜和非发育不良粘膜。

概述 这是对所有 IBD（CD、UC 或 IC）受试者进行为期 24 个月的结肠镜检查的前瞻性观察研究。 工作流程总结在图 2 中。研究人员将在研究登记前征得知情同意。 参与本研究的受试者将仅持续结肠镜检查程序的持续时间，即约 30 至 45 分钟。 受试者不需要为研究额外到医院就诊。

肠道准备和内窥镜检查程序 在进行结肠镜检查之前，受试者需要按照标准临床实践使用肠道准备清洁结肠。 结肠镜检查在有或没有镇静的情况下进行，由内窥镜医师和患者自行决定。 在使用带有或不带有辅助色素内镜的高清内窥镜系统进行的结肠镜检查过程中，可以获得结肠粘膜的活组织检查以评估疾病活动状态或阐明检测到的局灶性病变的性质，这可能是非肿瘤，如增生性或炎症后息肉，或肿瘤，如 IBD 相关的发育不良或散发性结直肠肿瘤。 升结肠、横结肠、降结肠、乙状结肠和直肠的检查结果将分别记录。 也可以使用圈套​​器切除病灶。 在每个区域的预期活检之前，或在内窥镜息肉切除术之前，SPECTRA IMDx 探头将通过结肠镜的工作通道插入，与粘膜表面接触以收集拉曼信号。 然后获得活组织检查并标记，以便获得的拉曼信号可以与组织学的黄金标准相关联以创建诊断分类器。 作为研究要求的一部分，不会将程序放在录音带、电影/视频或其他电子媒体上。 内窥镜检查结果将以标准电子医疗报告格式记录。 内窥镜检查和组织学结果将被转录为患者病例报告表并取消识别。

用于疾病活动性内窥镜评估的粘膜炎症严重程度分类系统已经发表。 31 对于 UC 和 IC，将根据 Mayo Endoscopic Subscore6 和 UCEIS 描述疾病活动的严重程度。 UCEIS 已经过验证。

对于 CD，内窥镜疾病严重程度的定义不仅仅依赖于粘膜炎症的严重程度，克罗恩病内窥镜严重程度指数 (CDEIS) 和克罗恩病简单内窥镜评分 (SES-CD) 等评分系统还包含其他组件，例如作为评估的一部分的疾病分布和管腔狭窄的存在。 CDEIS 和 SES-CD 都是经过验证的评分系统。 对于这项研究，由于研究兴趣仅在于评估粘膜炎症，因此将使用基于 SES-CD 的粘膜受累描述符，并且粘膜愈合将定义为没有粘膜溃疡。

局灶性扁平或息肉样病变 检测到的疑似增生或异型增生的浅表病变的形态将使用更新的巴黎分类（表 3，图 3）进行描述。 32 无蒂病变的垂直高度>2.5mm，而轻度隆起病变的垂直高度<2.5mm。 对于挖出的病变，深度> 1.2mm，而对于轻微凹陷的病变，深度小于1.2mm。 活检钳纵向放置在病变旁边是一个有用的参考标准（闭合钳口的直径为 2.5 毫米，而单钳口的直径为 1.2 毫米）。 将描述病变的估计大小、颜色和边缘。 将记录内窥镜诊断。

组织学发现的文件 粘膜炎症的组织学严重程度 用于疾病活动性组织学评估的分类系统已经发表。 对于 UC 或 IC，这将使用 Nancy 组织学指数进行评估。 0 级和 1 级定义组织学缓解，2 级定义轻度活动性疾病，3 级定义中度活动性疾病，4 级定义重度活动性疾病。 Nancy 指数已经过验证。

对于 CD，这将使用先前由比利时鲁汶的 IBD 研究小组开发的评分系统进行评估。 尽管该评分系统被广泛用于研究，但尚未得到验证。

局灶性扁平或息肉样病变 将使用 WHO 结肠直肠锯齿状病变和息肉分类以及 IBD 相关发育异常分类的 Riddell 系统。 IBD 相关的发育异常被定义为结肠上皮的明确肿瘤性改变。 应该强调的是，这种发育不良的上皮细胞不仅可能是癌的标志物或前兆，而且本身可能是恶性的，并与直接侵入下面的组织有关。 该定义类似于不存在 IBD 的结肠腺瘤、胃肠道其余部分的肿瘤性病变和其他上皮细胞的异型增生的定义。 发育异常是根据微观特征的组合来识别的，包括 1) 结构改变超过慢性结肠炎修复引起的结构改变，通常类似于腺瘤的腺体排列，以及 2) 细胞学异常，主要是细胞和核的多形性、核染色质增生，核极性消失，核明显分层。