一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法及其应用技术

一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法及其应用，属于医学疾病诊断领域。本发明专利技术针对目前病理诊断需要对肿瘤病灶标本定位和采集，样本预处理复杂且耗时长的问题；以及现有技术无法对早期肿瘤、微小残留病、循环肿瘤等微小肿瘤组织的筛查和诊断问题，提供了一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法，该方法的建立是基于生物液样本的等离子体发射光谱，并结合化学计量学和机器学习分类算法实现的。通过该方法建立的模型可集成到肿瘤诊断与筛查仪器中，为实现肿瘤的大规模筛查、早期肿瘤以及处于癌前病变阶段疾病的诊断提供了一种快速准确的方法。 1

【技术实现步骤摘要】
一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法及其应用
本专利技术属于医学疾病诊断领域，特别地，属于肿瘤诊断领域。本专利技术提供了一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法，基于该方法建立的肿瘤分类鉴别模型可以应用于肿瘤疾病诊断与筛查。本专利技术除了适用于人类外，还适用于其他能够获取血液、尿液或等价生物液样本的动物。
技术介绍
恶性肿瘤是威胁人类健康的主要疾病之一。根据国际癌症研究会(InternationalAgencyforResearchonCancer，IARC)发布的GLOBOCAN报告，2012年全球新发恶性肿瘤病例1410万，死亡820万，现患3255万。我国国家癌症中心2017年发布的数据显示，2013年我国新发恶性肿瘤病例368万例，即平均每天就有约一万人被确诊为恶性肿瘤；按照85岁的预期寿命计算，一个人一生累计罹患恶性肿瘤的风险将高达36％。尽管现在通过外科手术治疗、化疗、放疗、生物治疗等手段能够有效改善恶性肿瘤患者的生活质量、延缓恶性肿瘤患者生命甚至完全治愈恶性肿瘤，但是恶性肿瘤患者的死亡率仍然很高。数据显示，恶性肿瘤已成为我国城乡居民的第一位死因，平均每四个死亡的中国人中，就有一人死于恶性肿瘤。由于恶性肿瘤在发病早期难以被及时发现，而一旦当它发展到中、晚期后，往往就已经错过了最佳的治疗时机，导致预后较差、死亡率较高，因此恶性肿瘤的及早发现和确诊对于提高恶性肿瘤的治愈率、降低恶性肿瘤死亡率、改善人类健康具有重要的意义。目前，肿瘤的诊断和筛查技术主要包括病理学诊断、肿瘤标志物分子诊断和影像诊断。病理学诊断被认为是肿瘤诊断的最终诊断或“金标准”。但是病理学诊断需要进行标本获取、标本制备等繁琐耗时的实验室工作，无法实现快速诊断。由于需要获得标本，病理学诊断的前提是能够对病灶组织进行比较准确的定位，因此无法对难以准确定位的早期肿瘤和微小残留病、循环肿瘤细胞等微小肿瘤组织进行诊断。另外，病理学诊断是一门依赖经验积累的诊断学科，诊断结果很多情况下依赖病理医生的经验和业务水平，因此容易出现诊断结果不一致甚至误诊。肿瘤标志物分子诊断通过检测机体内伴随着肿瘤出现的含量异常升高的物质来实现肿瘤的诊断。当前临床应用的肿瘤标志物在肿瘤诊断的特异性和灵敏度方面，还没有任何一个能够达到很理想的程度。目前除甲胎蛋白(alphafetalprotein，AFP)和前列腺特异性抗原(prostatespecificantigen，PSA)外，临床上还未确切发现器官特异性相对较强的肿瘤标志物分子。此外，许多良性疾病也可以伴随有肿瘤标志物的异常，如前列腺肥大、前列腺炎就可以伴随有PSA的轻、中度升高。因此，目前临床上肿瘤标志物分子诊断仅作为一项临床辅助诊断手段，并不能作为肿瘤诊断的直接判据。影像诊断(如X线、计算机体层成像CT、磁共振成像、超声等)在肿瘤的发现、诊断和治疗检测中起着重要的作用，但是无法对早期肿瘤以及微小残留病、循环肿瘤细胞等无明显影像学特征的肿瘤进行诊断。综上，现有的肿瘤诊断和筛查技术仍然存在各种局限性，需要研发新型快速准确的肿瘤诊断技术。研究表明，恶性肿瘤组织与健康组织在微量元素的含量和分布上存在差异。根据这一发现，有研究利用激光诱导等离子体光谱技术，将脉冲激光聚焦到恶性肿瘤组织上产生等离子体，通过分析几种特征元素谱线的强度或强度比并与健康组织进行对比，实现了恶性肿瘤组织与健康组织的鉴别。但是，现有报道都是直接在肿瘤病灶组织(如血管肉瘤组织、乳腺癌肿瘤组织、直肠癌肿瘤组织等)上产生等离子体来区分肿瘤组织和健康组织。这种方法存在如下缺陷：一是，该方法区分恶性肿瘤与健康组织的前提是肿瘤组织的占位或分布需要通过其他诊断技术(如影像诊断)进行明确，单独依靠该方法无法对恶性肿瘤进行筛查；二是，该方法无法对早期肿瘤、微小残留病、循环肿瘤细胞等采用影像诊断难以准确定位的肿瘤进行诊断；三是，该方法需要将待检组织从机体上切除下来进行体外检测或者采用介入式的方法进行活体检测，这都会对检查对象造成疼痛和不适，同时对检查对象的生理体征要求也较高。
技术实现思路
针对目前病理诊断需要对肿瘤病灶标本定位和采集，样本预处理复杂且耗时长的问题；以及现有技术无法对早期肿瘤、微小残留病、循环肿瘤等微小肿瘤组织的筛查和诊断问题，本专利技术提供了一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法及其应用。本专利技术提供的肿瘤分类鉴别模型的建立方法，包括以下步骤：(1)取经肿瘤病理学诊断确诊的肿瘤患者和健康对照组的生物液样本，建立生物液样本库；(2)所述生物液样本库中的样本经过预处理后，在样本上形成等离子体，激发样本中的微量元素产生发射光谱；(3)采用光谱探测模块测量生物液样本等离子体的发射光谱，选取探测延时为0.1-100μs，探测门宽为0.01-10μs，获得的发射光谱的信号噪声比≥10，信号背景比≥0.5；(4)对步骤(3)采集的发射光谱数据进行归一化处理，选取典型粒子的特征发射谱线，建立光谱特征数据矩阵，对所述光谱特征数据矩阵进行标准化处理；(5)对标准化处理后的光谱特征数据矩阵采用化学计量学和机器学习分类算法，通过模型验证后建立肿瘤分类鉴别模型。步骤(1)所述肿瘤包括淋巴瘤、白血病、多发性骨髓瘤、甲状腺癌、肺癌、食道癌、胃癌、肝癌、结肠癌、直肠癌、乳腺癌、卵巢癌、宫颈癌、子宫内膜癌、膀胱癌、前列腺癌、肾癌以及其他肿瘤中的至少一种。步骤(1)所述生物液样本是指血液(包括全血、血清、血浆、血细胞、血小板)、尿液或等价生物液。步骤(2)所述生物液样本的预处理方法是指：将样本放置于能透射激光辐射(如果需要透射激光辐射时)和等离子体光辐射的具有约束性的容器或波导中(如透明玻璃管、两片透明玻璃片叠在一起形成的间隙、具有透射激光辐射(如果需要透射激光辐射时)和等离子体光辐射窗片的容器等)；将样本涂敷到致密固体基体表面，干燥后形成吸附于基体上的薄膜；将样本涂敷到具有孔隙、能够吸收生物液样本的基体表面(如滤纸、纺织物以及类似的基体)，干燥后形成吸附于基体上的薄膜；或将样本冷冻成固态。步骤(2)所述等离子体包括激光诱导击穿等离子体、介质阻挡放电等离子体、脉冲放电等离子体、辉光放电等离子体、微波等离子体、日冕等离子体、射频等离子体以及其他能够使生物液样本中的微量元素激发出光谱辐射的等离子体。步骤(3)所述光谱探测模块包括搭载有能够对等离子体发射光谱响应的探测器的光谱仪、单色仪、多道分析仪等，如CzernyTurner光栅光谱仪、PachenRunge光谱仪、中阶梯光栅光谱仪、棱镜分光光谱仪以及其他形式的光谱仪，所述探测器包括但不限于可调探测延时和探测门宽的电荷耦合器件(charge-coupleddevice，CCD)、电子增益CCD(electron-multiplierCCD，EMCCD)、增强型CCD(intensifiedcharge-coupleddevice，ICCD)、光电倍增管(photon-multipliertube，PMT)和门控电压信号采样系统(如美国StanfordResearchSystems公司的SR250boxcar积分平均器)的组合。根据等离子体和探测器类型的不同，步骤(3)所述探测延时通常可以设定为0.1-100μs，探测门宽通常可以设定为0.01-10μs。需要注意的是，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，所述建立方法包括：

【技术特征摘要】
2017.09.05 CN 20171078946911.一种肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，所述建立方法包括：(1)取经肿瘤病理学诊断确诊的肿瘤患者和健康对照组的生物液样本，建立生物液样本库；(2)所述生物液样本库中的样本经过预处理后，在样本上形成等离子体，激发样本中的微量元素产生发射光谱；(3)采用光谱探测模块测量生物液样本等离子体的发射光谱，选取探测延时为0.1-100μs，探测门宽为0.01-10μs，获得的发射光谱的信号噪声比≥10，信号背景比≥0.5；(4)对步骤(3)采集的发射光谱数据进行归一化处理，选取典型粒子的特征发射谱线，建立光谱特征数据矩阵，对所述光谱特征数据矩阵进行标准化处理；(5)对标准化处理后的光谱特征数据矩阵采用化学计量学和机器学习分类算法，通过模型验证后建立肿瘤分类鉴别模型。2.根据权利要求1所述肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)所述肿瘤包括淋巴瘤、白血病、多发性骨髓瘤、甲状腺癌、肺癌、食道癌、胃癌、肝癌、结肠癌、直肠癌、乳腺癌、卵巢癌、宫颈癌、子宫内膜癌、膀胱癌、前列腺癌、肾癌中的至少一种。3.根据权利要求1所述肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，步骤(1)所述生物液样本是指全血、血清、血浆、血细胞、血小板、尿液或等价生物液。4.根据权利要求1所述肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，步骤(2)所述生物液样本的预处理采用下述四种方法之一：第一种：将样本放置于能透射激光辐射和等离子体光辐射的具有约束性的容器或波导中；第二种：将样本涂敷到致密固体基体表面，干燥后形成吸附于基体上的薄膜；第三种：将样本涂敷到具有孔隙、能够吸收生物液样本的基体表面，干燥后形成吸附于基体上的薄膜；第四种：将样本冷冻成固态。5.根据权利要求1所述肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，步骤(2)所述等离子体是指能够使生物液样本中的微量元素激发出光谱辐射的等离子体。6.根据权利要求5所述肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，所述等离子体是指激光诱导击穿等离子体、介质阻挡放电等离子体、脉冲放电等离子体、辉光放电等离子体、微波等离子体、日冕等离子体或射频等离子体。7.根据权利要求1所述肿瘤分类鉴别模型的建立方法，其特征在于，步骤(4)所述发射光谱数据的归一化处理方法包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓晖，于欣，樊荣伟，陈德应，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23