KR20130056886A - Method for analyzing biological specimens by spectral imaging - Google Patents

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벤자민 버드
미로스 밀코비크
스텐리 에이치. 레미스제위스키
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노스이스턴 유니버시티
시레카 테라노스틱스, 엘엘씨
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Abstract

의료 진단을 제공하기 위해 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법은 생물 표본의 스펙트럼 및 시각적 이미지를 획득하는 단계와, 세포 이상, 암 발병 전의 세포 및 암 세포를 발견하기 위해 상기 이미지를 등록하는 단계를 포함한다. 이 방법은 표준 조직병리학 및 다른 스펙트럼 방법에 내재된 진단의 편견과 불신을 제거한다. 또한, 미시적으로 획득된 세포 및 조직의 적외선 스펙트럼에서 자주 관찰되는 교락 스펙트럼 기여(confounding spectral contributions)의 보정 방법은 상기 스펙트럼 데이터 상의 위상 보정을 수행하는 단계를 포함한다. 이러한 위상 보정 방법은 반사 요소에 의해 오염된 다양한 유형의 흡수 스펙트럼을 보정하기 위해 사용될 수 있다.A method of analyzing a biological sample by spectral imaging to provide a medical diagnosis includes acquiring a spectral and visual image of the biological sample, and registering the image to detect cell abnormalities, cells before cancer, and cancer cells. It includes. This method eliminates the bias and distrust of diagnosis inherent in standard histopathology and other spectral methods. In addition, a method of correcting confounding spectral contributions frequently observed in the infrared spectra of microscopically acquired cells and tissues includes performing phase corrections on the spectral data. This phase correction method can be used to correct various types of absorption spectra contaminated by reflective elements.

Description

스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법{METHOD FOR ANALYZING BIOLOGICAL SPECIMENS BY SPECTRAL IMAGING}METHOOD FOR ANALYZING BIOLOGICAL SPECIMENS BY SPECTRAL IMAGING

본 발명의 측면들은 의료 진단을 제공하기 위해 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법에 관한 것이다. 상기 생물 표본은 수술 방법, 생체 검사 및 배양된 샘플에 의해 얻어진 의료 표본을 포함할 수 있다.
Aspects of the invention relate to a method of analyzing a biological sample by spectral imaging to provide a medical diagnosis. The biological sample may include medical specimens obtained by surgical methods, biopsies, and cultured samples.

다양한 병리학적 방법들은 비정상 혹은 암 세포를 발견하기 위해 생물 표본을 분석할 때 사용된다. 예를 들어, 표준 조직병리학은 현미경을 사용하는 병리학자에 의해 착색된 조직 부분의 시각적 분석을 수반한다. 전형적으로, 조직 부분은 생체 검사에 의해 환자로부터 제거되고, 상기 샘플은 냉동-마이크로톰에 의해 순식간에 냉동되고 분할되거나, 포르말린-고정, 파라핀 포함 및 마이크로톰의 분할이 이뤄진다. 상기 조직 부분은 이후 적합한 기질 상에 장착된다. 파라핀-포함 조직 부분은 이후 탈파라핀화된다. 예를 들어, 상기 조직 부분은 헤마톡실린-에오신(H&E) 착색을 이용하여 착색되고, 커버슬립된다.Various pathological methods are used to analyze biological samples to detect abnormal or cancerous cells. For example, standard histopathology involves visual analysis of colored tissue portions by pathologists using a microscope. Typically, the tissue portion is removed from the patient by biopsy and the sample is frozen and split in minutes by freeze-microtome, or formalin-fixed, paraffin-containing and microtome splitting. The tissue portion is then mounted on a suitable substrate. The paraffin-containing tissue portion is then deparaffinized. For example, the tissue portion is colored and coverslips using hematoxylin-eosin (H & E) staining.

이후 상기 조직 샘플은 10배에서 40배 확대되어 시각적으로 조사된다. 확대된 세포는 병리학자 기억 내의 시각적 데이터베이스와 비교된다. 병리학자에 의해 착색된 조직 부분의 시각적 분석은 비정상 또는 암 세포의 존재를 발견하기 위해 핵과 세포 형태, 조직 구조, 착색 패턴 및 면역 반응 세포의 침투와 같은 정밀한 특징을 수반한다.The tissue sample is then visually irradiated at 10 to 40 times magnification. Magnified cells are compared to a visual database in pathologist memory. Visual analysis of colored tissue sections by pathologists involves precise features such as nuclear and cell morphology, tissue structure, pigmentation patterns, and penetration of immune reactive cells to detect the presence of abnormal or cancerous cells.

만약 초기 전이 또는 0.2에서 2㎜크기보다 작게 측정되는 암 세포의 작은 무리인 미세 전이가 의심될 때, 인접한 조직 부분은 시토케라틴-특정 착색과 같은 면역-조직 화학(IHC) 에이전트/카운터 염색으로 착색될 수 있다. 림프절 조직과 같은 정상 조직은 이러한 착색에 반응하지 않기 때문에, 이러한 방법은 조직병리학의 감도를 증가시킨다. 결국 감염되지 않은 조직과 감염된 조직 사이의 차이는 커질 수 있다.If you suspect an initial metastasis or micrometastasis, which is a small cluster of cancer cells measured less than 0.2 to 2 mm in size, adjacent tissue parts are stained with an immunohistochemical (IHC) agent / counter stain, such as cytokeratin-specific staining. Can be. Since normal tissues, such as lymph node tissues, do not respond to this pigmentation, this method increases the sensitivity of histopathology. Eventually, the difference between uninfected and infected tissue can be large.

미세전이 발견의 주요 방법은 조직병리학이었다. 예를 들어, 작은 크기와 림프절 조직 내 이상을 구분하는 기능의 부족 때문에, 표준 조직병리학에 의한 림프절 내 미세전이의 발견은 엄청난 작업이다. 만약 림프절이 전이세포와 상관이 없다면 암의 확산은 억제될 수 있기 때문에, 아직 이러한 미세전이의 발견은 질병의 확산에 있어서 중요하다. 반면, 림프절 내 미세전이를 발견하지 못해 발생하는 잘못된 음성 진단은 매우 긍정적이라, 더 적극적인 치료가 권장되었어야 했다.Histopathology was the primary method of microtransition discovery. For example, the discovery of micrometastasis in lymph nodes by standard histopathology is a tremendous task because of its small size and lack of ability to distinguish abnormalities in lymph node tissue. Since the spread of cancer can be inhibited if lymph nodes are not related to metastatic cells, the discovery of these micrometastasis is still important in the spread of disease. On the other hand, false negative diagnosis resulting from the absence of micrometastasis in the lymph nodes is very positive and more aggressive treatment should be recommended.

비록 표준 조직병리학이 상급 질병 진단에 있어서 잘 확립되었지만, 그것은 수많은 단점을 가지고 있다. 이러한 방법에 의한 진단 및 질병의 등급화는 주관적일 수 밖에 없는 병리학자 기억 내 데이터베이스와 관련한 표본의 비교에 근거하기 때문에, 특별히 다른 병리학자에 의한 동일 조직 부분의 각 진단의 상이함이 흔하다. 진단의 차이는 특히 희귀 암 진단 혹은 암 초기 단계 시 발생한다. 게다가, 표준 조직병리학은 시간과 비용이 많이 들고, 발견 시 사람의 눈에 의존하여 결과가 재생산되기 힘들다. 더 나아가, 수술 피로도 및 다양한 수준의 병리학자 전문성이 진단에 영향을 줄 수 있다.Although standard histopathology is well established in the diagnosis of advanced disease, it has a number of disadvantages. Because diagnosis and grading of diseases by this method are based on comparisons of samples with a pathological memory database that is subjective, it is common for each pathology to differ in the diagnosis of the same tissue part in particular. Differences in diagnosis occur especially in the diagnosis of rare cancers or in the early stages of cancer. In addition, standard histopathology is time consuming and expensive, and results are difficult to reproduce, depending on the human eye upon discovery. Furthermore, surgical fatigue and varying levels of pathologist expertise can influence the diagnosis.

게다가, 종양이 매우 다양하다면, 암 종류를 구분하기 위해 많은 면역 조직 화학 착색이 필요할 수 있다. 이러한 착색은 다중의 평행 세포 블록 상에서 수행될 수 있다. 이 착색 과정은 매우 비쌀 수 있고, 세포 샘플은 하나의 셀 블록 내 소수의 진단 세포만을 제공한다.In addition, if the tumors are very diverse, a lot of immunohistochemical staining may be needed to differentiate cancer types. Such staining can be performed on multiple parallel cell blocks. This staining process can be very expensive and the cell sample provides only a few diagnostic cells in one cell block.

주로 세포 형태 및 조직 구조 특징에 의존하는 표준 조직병리학에 의한 진단의 상이함을 극복하기 위해, 분광법은 세포 및 조직의 생물학적 구성 스냅샷을 포착하는데 쓰인다. 이는 다양한 상태 및 질병에 의해 발생하는 생물학적 표본의 생물학적 구성 내 변화를 발견하도록 한다. 조직 또는 세포 샘플이 분광법을 사용함으로써, 샘플 일부의 화학적 구성 변화가 발견될 수 있으며, 이는 비정상 혹은 암 세포의 존재를 보여줄 수 있다. 분광법의 적외선 세포병리학(세포의 질병 연구) 적용은 스펙트럼 세포병리학(SCP)으로 불리고, 적외선 세포병리학의 조직병리학(조직의 질병 연구) 적용은 스펙트럼 조직병리학(SHP)으로 불린다.To overcome the differences in diagnosis by standard histopathology, which mainly depends on cell morphology and tissue structure characteristics, spectroscopy is used to capture snapshots of biological components of cells and tissues. This allows for the discovery of changes in the biological composition of biological specimens caused by various conditions and diseases. As the tissue or cell sample uses spectroscopy, changes in the chemical makeup of a portion of the sample may be found, which may indicate the presence of abnormal or cancerous cells. Infrared cytopathology (cell disease research) application of spectroscopy is called spectral cytopathology (SCP), and histopathology (tissue disease research) application of infrared cytopathology is called spectral histopathology (SHP).

개별 요로 및 배양 세포 상의 SCP는 B. Bird 외, Vibr. Spectros, 48, 10 (2008) 및 M. Romeo 외, Biochim Biophys Acta, 1758, 915 (2006)에서 논의된다. 이미징 데이터 세트 상에 기초하고 구강 점막 및 자궁 경부 세포에 적용된 SCP는 WO 2009/146425에서 논의된다. 구강 점막 세포 내 SCP를 통한 질병 진행의 설명은 K. Papamarkakis 외, Laboratory Investigations, 90, 589 (2010)에서 논의된다. 암 영역 효과를 발견하는 SCP 의 감도 및 자궁 경부 세포 내 바이러스 감염에 대한 감도의 설명은 K. Papamarkakis 외, Laboratory Investigations, 90, 589, (2010)에서 논의된다.SCPs on individual urinary tract and cultured cells are described in B. Bird et al., Vibr. Spectros, 48, 10 (2008) and M. Romeo et al., Biochim Biophys Acta, 1758, 915 (2006). SCPs based on imaging data sets and applied to oral mucosa and cervical cells are discussed in WO 2009/146425. Description of disease progression through SCPs in oral mucosal cells is discussed in K. Papamarkakis et al., Laboratory Investigations, 90, 589 (2010). A description of the sensitivity of SCP to detecting cancer area effects and sensitivity to viral infections in cervical cells is discussed in K. Papamarkakis et al., Laboratory Investigations, 90, 589, (2010).

계층적 군집 분석(HCA)을 통해 간 조직의 SHP를 사용하는 조직의 최초 무감독 이미징에 관한 설명은 M. Diem 외, Biopolymers, 57, 282 (2000)에서 논의된다. 림프절 내의 전이성 암의 발견은 M. J. Romeo 외, Vibrational Spectrosc, 38, 1 15 (2005) 및 M. Romeo 외, Vibrational Microspectroscopy of Cells and Tissues, Wiley-lnterscience, Hoboken, NJ (2008)에서 논의된다. 결장 조직 내 암을 발견하기 위한 HCA-파생 데이터에서 훈련된 신경망의 사용은 P. Lasch 외, J.Chemometrics, 20, 209 (2007)에서 논의된다. 림프절 내 미세-전이 및 개별 전이성 암 세포의 발견은 B. Bird 외, The Analyst, 134, 1067 (2009), B. Bird 외, BMC J. Clin. Pathology, 8, 1 (2008), 및 B. Bird 외, Tech. Cancer Res. Treatment, 10, 35 (201)에서 논의된다.A description of the first unsupervised imaging of tissue using SHP of liver tissue via hierarchical cluster analysis (HCA) is discussed in M. Diem et al., Biopolymers, 57, 282 (2000). The discovery of metastatic cancer in lymph nodes is discussed in M. J. Romeo et al., Vibrational Spectrosc, 38, 1 15 (2005) and M. Romeo et al., Vibrational Microspectroscopy of Cells and Tissues, Wiley-lnterscience, Hoboken, NJ (2008). The use of trained neural networks in HCA-derived data to detect cancer in colon tissue is discussed in P. Lasch et al., J. Chemometrics, 20, 209 (2007). The discovery of micro-metastasis and individual metastatic cancer cells in lymph nodes is described by B. Bird et al., The Analyst, 134, 1067 (2009), B. Bird et al., BMC J. Clin. Pathology, 8, 1 (2008), and B. Bird et al., Tech. Cancer Res. Treatment, 10, 35 (201).

분광법은 질병의 초기 단계를 보여줄 수도 있는 생물학적 샘플 내 화학적 구성의 작은 변화에 대한 경각심을 병리학자들에게 불러일으켰다는 점에서 바람직하다. 반대로, 표준 조직병리학으로부터 뚜렷이 보이는 조직 내 형태학적 변화는 더 긴 시간이 걸리고, 이는 질병의 조기 발견을 더 어렵게 만든다. 게다가, 분광법은 병리학자들이 조직이나 세포 물질의 대형 샘플을 점검할 때 동일 샘플을 시각적으로 조사할 때보다 더 적은 시간이 걸리도록 한다. 더 나아가, 객관적이며, 디지털 방식으로 기록되고 저장되며, 재생산이 가능하고, 또한 수학적/통계적 분석 처리가 가능한 장치-기반 측정도구에 분광법이 의존하고 있다. 결국, 분광법으로부터 파생된 결과는 기존 조직병리학적 방법들로부터 파생된 것보다 더 정확하고 세밀하다.Spectroscopy is desirable in that it has prompted pathologists to be alert to small changes in chemical composition in biological samples that may show early stages of disease. Conversely, morphological changes in tissue that are evident from standard histopathology take longer, which makes early detection of the disease more difficult. In addition, spectroscopy allows pathologists to spend less time inspecting large samples of tissue or cellular material than visually examining the same sample. Furthermore, spectroscopy relies on device-based measurement tools that are objective, digitally recorded and stored, reproducible, and capable of mathematical and statistical analysis. As a result, the results derived from spectroscopy are more accurate and detailed than those derived from existing histopathological methods.

다양한 기술들은 스펙트럼 데이터를 얻기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 산란 효과를 이용한 시스템의 분자 진동을 평가하는 라만(Raman) 분광법은 세포 또는 조직 샘플을 분석하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법은 N. Stone 외, Vibrational Spectroscopy for Medical Diagnosis, J.Wiley & Sons (2008), 및 C.Krafft 외, Vibrational Spectrosc (2011)에서 설명된다.Various techniques can be used to obtain spectral data. For example, Raman spectroscopy, which assesses the molecular vibration of a system using scattering effects, can be used to analyze a cell or tissue sample. This method is described in N. Stone et al., Vibrational Spectroscopy for Medical Diagnosis, J. Wiley & Sons (2008), and C. Krafft et al., Vibrational Spectrosc (2011).

1010개의 입사 광자 중 약 1개만 라만 산란을 견딘다는 점에서 라만의 산란 효과는 취약하다고 간주된다. 따라서, 라만 분광법은 자극을 위해 강하게 집중된 가시적 혹은 근접-IR 레이저 빔을 사용할 때 가장 효과가 있다. 결과적으로, 이것은 스펙트럼 정보가 취합되고 있는 점을 가리킨다. 현미경 대물렌즈의 개구수 및 이용된 레이저의 파장에 따라, 이 점의 크기는 약 0.3㎛에서 2㎛정도의 범위에 있을 수 있다. 데이터 세트가 수많은 스펙트럼을 포함하며 긴 데이터 인식 시간을 요구할 수 있기 때문에, 이 작은 크기의 점은 대형 조직 부분의 데이터 수집을 불가능하게 한다. 결국, 라만 분광법을 사용한 SHP는 해당되는 작은 영역을 선택하기 위해 오퍼레이터를 필요로 한다. 이 방식은 조직의 큰 영역에 대한 비편파적 분석과 같은 스펙트럼 이미징의 장점들을 무효화한다.The Raman scattering effect is considered weak in that only about 1 out of 10 10 incident photons withstand Raman scattering. Thus, Raman spectroscopy is most effective when using strongly focused visible or near-IR laser beams for stimulation. As a result, this indicates the point at which spectral information is collected. Depending on the numerical aperture of the microscope objective lens and the wavelength of the laser used, the size of this spot may range from about 0.3 μm to about 2 μm. Because the data set contains numerous spectra and may require long data recognition time, this small size makes it impossible to collect data from large tissue parts. After all, SHP using Raman spectroscopy requires an operator to select that small area. This approach negates the benefits of spectral imaging, such as non-polarized analysis of large areas of tissue.

뇌, 폐, 구강 점막, 자궁 경부 점막, 갑상선, 결장, 피부, 유방, 식도, 전립선 및 림프절 등을 포함하는 조직 내 이상을 발견하기 위해, 적외선 분광법을 사용하는 SHP가 사용되어 왔다. 라만 분광법과 같은 적외선 분광법은 분자 진동에 근거하지만 흡수 효과이며, 입사된 적외선 광자의 1%에서 50%사이는 특정 조건이 충족될 경우 흡수되기 쉽다. 그 결과, 라만 분광법과 비교했을 때 데이터는 적외선 분광법에 의해 완벽한 스펙트럼의 질을 갖고 더 빠르게 인식될 수 있다. 게다가, 적외선 분광법은 조직 내 작은 구성적 변화를 감지하는데 극도로 민감하다. 결국, 적외선 분광법을 사용하는 SHP는 미세-전이를 쉽게 발견할 수 있기 때문에, 전이될 때까지 빈번히 발견되지 못하는 유방암과 같은 암의 진단, 치료 및 예후에 특히 유리하다. 이것은 또한 소수의 개별 세포들만큼 작은 전이성 암 세포의 소형 군집을 발견할 수 있다. 더 나아가, 적외선 분광법을 사용해서 가질 수 있는 상기 공간 해상도는 인간 세포의 크기와 비슷하고, 대형 적외선 검출기를 통합한 상업적 기기는 몇 분 안에 수 만개의 픽셀 스펙트럼을 모을 수 있다.SHP using infrared spectroscopy has been used to detect abnormalities in tissues including the brain, lungs, oral mucosa, cervical mucosa, thyroid, colon, skin, breast, esophagus, prostate and lymph nodes. Infrared spectroscopy, such as Raman spectroscopy, is based on molecular vibrations but is an absorption effect, and between 1% and 50% of incident infrared photons are easily absorbed if certain conditions are met. As a result, when compared to Raman spectroscopy, data can be recognized faster and with perfect spectrum quality by infrared spectroscopy. In addition, infrared spectroscopy is extremely sensitive to detecting small constitutive changes in tissues. After all, SHP using infrared spectroscopy is particularly advantageous for the diagnosis, treatment and prognosis of cancers, such as breast cancer, which are not frequently found until metastasis, since the micro-metastasis can be easily found. It can also find a small population of metastatic cancer cells that are as small as a few individual cells. Furthermore, the spatial resolution that can be obtained using infrared spectroscopy is comparable to the size of human cells, and commercial instruments incorporating large infrared detectors can collect tens of thousands of pixel spectra in minutes.

적외선 분광법을 사용하는 SHP의 방법은 Bird 외, "Spectral detection of micro-metastates in lymph node histo-pathology", J. Biophoton. 2, No. 1-2, 37-46 (2009) (이하 "Bird")에서 설명된다. 이 방법은 림프절 내 미세-전이 및 개별 전이성 세포를 정확히 찾아내기 위해 적외선 미세-분광법(IRMSP) 및 다변량 분석을 이용한다.Methods of SHP using infrared spectroscopy are described in Bird et al., “Spectral detection of micro-metastates in lymph node histo-pathology”, J. Biophoton. 2, No. 1-2, 37-46 (2009) (hereinafter "Bird"). This method uses infrared micro-spectroscopy (IRMSP) and multivariate analysis to pinpoint micro-metastasis and individual metastatic cells in lymph nodes.

Bird는 700과 4000㎝- 1사이에 1650 분광 강도 포인트를 각각 가진 25,600 스펙트럼을 포함하는 무가공 초분광 이미지 데이터 세트를 연구했다. 각각 약 400 MByte를 차지하는 이 데이터 세트가 불려와서 미리 처리된다. 데이터 처리는 900 - 1800㎝- 1 의 파상수 범위 제한 및 다른 과정들을 포함한다. "지문" 적외선 분광 영역은 이후 1700과 1450㎝-1 사이의 "단백질 영역"으로 나뉘고, 단백질의 펩타이드 연결의 아미드 Ⅰ 및 아미드 Ⅱ 진동 밴드에 의해 지배된다. 이 영역은 상이한 단백질 2차 및 3차 구조에 매우 민감하고, 상이한 단백질 함량에 따른 세포 생물학의 특정 현상이 발생하도록 사용될 수 있다. 900에서 1350㎝-1의 낮은 파상수 범위인 "인산(phosphate) 영역"은 DNA 및 RNA와 마찬가지로 인지질 내에서 발견되는 인산디에스터 연결의 몇몇 진동을 포함한다.Bird 700 and 4000㎝ - studied the non-processing hyperspectral image data set containing 25,600 spectrum with 1650 points each spectral intensity between the first. This data set, which takes up about 400 MBytes each, is loaded and preprocessed. It includes a wave number range limits, and other processes of the first-data processing 900 - 1800㎝. The "fingerprint" infrared spectral region is then divided into a "protein region" between 1700 and 1450 cm -1 and governed by the amide I and amide II vibration bands of the peptide linkage of the protein. This region is very sensitive to different protein secondary and tertiary structures and can be used to cause certain phenomena of cell biology with different protein contents. The “phosphate region”, which ranges from 900 to 1350 cm −1 , has a low oscillation frequency, which, like DNA and RNA, includes some vibrations of phosphodiester linkages found in phospholipids.

Bird에서, 통합된 아미드 Ⅰ 결합의 최소 강도 기준은 조직 보전 없이 픽셀을 제거하기 위해 정해졌다. 이후, 벡터 정규화 및 2차 파생물로의 분광 벡터 변환이 수행된다. 이어서, 분광 유사성 및 Ward의 집적화 알고리즘을 정의하기 위해 데이터 세트는 유클리디언 거리를 사용하여 개별적으로 위계적 군집 분석(HCA)을 받는다. 픽셀 집합 자격은 의사-색채(pseudo-color) 분광 이미지로 전환된다.In Bird, the minimum intensity criterion for incorporating amide I bonds was established to remove pixels without tissue integrity. Subsequently, vector normalization and spectral vector conversion to secondary derivatives are performed. The data sets are then subjected to hierarchical clustering analysis (HCA) individually using Euclidean distance to define spectral similarity and Ward's integration algorithm. Pixel set qualification is converted to pseudo-color spectroscopic images.

Bird의 방법에 따르면, 분광 분석이 시행될 비착색 인접 조직 부분과 부합하는 영역들을 강조하기 위해, 지표들은 착색된 조직 부분을 가진 슬라이드 상에 놓인다. 스펙트럼 이미지와 시각적 이미지 상의 분명한 특징을 정렬하는 사용자에 의해, 이에 따른 스펙트럼과 시각적 이미지는 물리적으로 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지를 덮기 위해 연결된다.According to Bird's method, the indicators are placed on slides with colored tissue parts to highlight areas that match the non-pigmented adjacent tissue parts where spectral analysis will be performed. By the user aligning the distinctive features on the spectral image and the visual image, the spectral and visual image are thus physically connected to cover the spectral and visual image.

Bird의 방법에 따라, 시각적 관찰과 스펙트럼 데이터 간의 상관관계를 결정하기 위해, 상기 스펙트럼 이미지와 시각적 이미지에 부합하는 부분이 조사된다. 특히, 착색된 시각적 이미지를 덮는 스펙트럼 이미지와 부합하는 비율을 조사할 때, 착색된 시각적 이미지 내에서 병리학자에 의해 관찰된 비정상 또는 암 세포가 관찰될 수 있다. 결국, 의사-색채 스펙트럼 이미지 내 패턴의 윤곽은 착색된 시각적 이미지 내에서 알고 있는 비정상 또는 암 세포와 부합할 수 있다. 착색된 시각적 이미지 내에서 병리학자에 의해 관찰된 잠재적 비정상 또는 암 세포는 의사-색채 스펙트럼 이미지의 정확성을 입증하기 위해 사용될 수 있다.According to Bird's method, portions corresponding to the spectral image and the visual image are examined to determine the correlation between the visual observation and the spectral data. In particular, when investigating a ratio consistent with the spectral image covering the colored visual image, abnormal or cancer cells observed by the pathologist within the colored visual image may be observed. As a result, the contours of the pattern in the pseudo-color spectral image can match the known abnormal or cancer cells in the colored visual image. Potential abnormalities or cancer cells observed by the pathologist in the colored visual image can be used to verify the accuracy of the pseudo-color spectral image.

하지만 Bird의 방법은 스펙트럼 및 시각적 이미지 상의 특정 지표를 시각적으로 연결하기 위해서 사용자의 기술에 의존하기 때문에 불명확하다. 이 방법은 종종 애매하다. 게다가, Bird의 방법은 상기 시각적 및 스펙트럼 이미지가 물리적으로 그들을 덮으면서 연결되도록 하지만, 두 이미지의 데이터를 서로 연결하지 않는다. 상기 이미지들은 단지 물리적으로만 입혀지기 때문에, 겹쳐진 이미지들은 향후 분석을 위해 함께 저장되지 않는다.Bird's method is unclear, however, because it relies on the user's skills to visually link specific indicators on the spectrum and visual images. This method is often ambiguous. In addition, Bird's method allows the visual and spectral images to be physically linked to cover them, but not the data of the two images. Since the images are only physically coated, the overlapping images are not stored together for future analysis.

더 나아가, 조직의 다른 인접 부분이 스펙트럼 및 시각적 이미징을 받기 때문에, Bird의 덮인 이미지는 동일한 조직 부분을 보여주지 않는다. 시각적 이미지의 형태 및 스펙트럼 이미지의 색깔 패턴 내에 차이가 존재할 수 있기 때문에, 이는 상기 스펙트럼과 시각적 이미지의 연결을 어렵게 만든다.Furthermore, the covered image of the bird does not show the same tissue part because other adjacent parts of the tissue undergo spectral and visual imaging. This makes it difficult to link the spectrum with the visual image because there may be differences within the shape of the visual image and the color pattern of the spectral image.

Bird의 덧씌우기 방법에 대한 또 다른 문제는 시각적 이미지가 적외선 스펙트럼 이미지와 같이 동일한 공간 영역에 있지 않다는 것이다. 결국, Bird의 시각적 이미지와 스펙트럼 이미지의 공간 해상도는 다르다. 전형적으로, 적외선 이미지의 공간 해상도는 시각적 이미지의 해상도보다 낮다. 해상도 내의 이러한 차이를 설명하기 위해, 해당되는 시각적 점 주변의 영역을 선택하고 한 점이 아닌 그 영역을 진단함으로써, 적외선 영역에서 사용된 데이터는 확장될 수 있다. 시각적 이미지 내의 모든 점에는, 진단 결과가 나오기 위해 입력되어야 하는 점보다 더 큰 적외선 이미지의 영역이 있다. 해상도 차이를 설명하는 이 과정은 Bird에 의해 이뤄지지 않는다. 대신, Bird는 시각적 이미지 내에서 점을 선택할 때 그것은 덧씌우기를 통한 스펙트럼 이미지 내 정보의 동일점이고, 이에 상응하는 진단이 나온다고 추정한다. 상기 이미지들이 시각적으로는 동일한 반면, 진단적으로는 동일하지 않다.Another problem with Bird's overlay method is that the visual image is not in the same spatial domain as the infrared spectral image. As a result, the spatial resolution of Bird's visual and spectral images is different. Typically, the spatial resolution of the infrared image is lower than the resolution of the visual image. To account for this difference in resolution, the data used in the infrared region can be expanded by selecting an area around the corresponding visual point and diagnosing that area rather than one point. At every point in the visual image there is an area of the infrared image that is larger than the point that must be entered for the diagnostic result to be produced. This process of explaining the difference in resolution is not done by Bird. Instead, Bird assumes that when selecting a point in the visual image, it is the same point of the information in the spectral image through overlay, and the corresponding diagnosis comes out. While the images are visually identical, they are not diagnostically identical.

진단적으로 연결하기 위해, 사용되는 스펙트럼 이미지는 해당되는 진단 서명을 인식하도록 훈련된 감독 진단 알고리즘으로부터 나와야 한다. 결국, 사용자-선택가능 연결이 아닌 진단적 연결을 생성하기 위해, 스펙트럼 이미지 군집은 생화학적 분류에 따른 알고리즘 분류 계획에 의해 제한될 것이다. 그에 반해서, Bird는 진단을 위해 "감독" 착색된 시각적 이미지와 비교할 때 "무감독" HCA 이미지를 사용한다. 군집화를 위해 정해진 규칙 및 제한에 근거하여, HCA이미지는 아직 진단이 결정되지 않은 공통 스펙트럼 특징의 영역을 식별하고, 암 영역의 윤곽을 나타내도록 경계(기하학적) 연결이 병리학자에 의해 시각적으로 수용될 때까지 수동적으로 계통수를 절단하는 것을 포함한다. 이 방법은 그저 시각적 비교만을 제공한다.In order to make a diagnostic connection, the spectral image used must come from a supervised diagnostic algorithm trained to recognize the corresponding diagnostic signature. Eventually, in order to create a diagnostic link that is not a user-selectable link, the spectral image cluster will be limited by an algorithmic classification scheme according to biochemical classification. In contrast, Bird uses "no supervision" HCA images when compared to "supervision" colored visual images for diagnosis. Based on the rules and limitations established for clustering, the HCA image identifies areas of common spectral features that have not yet been diagnosed, and allows boundary (geometric) connections to be visually accepted by the pathologist to outline the area of cancer. Manually cutting the plant until it is included. This method only provides a visual comparison.

형광 데이터 분석에 근거한 다른 방법들이 존재하며, 일반적으로 착색이나 라벨과 같은 외부 태그의 분포에 근거하거나, 자가-형광으로도 알려진 고유 형광의 변화를 이용한다. 생화학적 구성 및 구성 내 변화를 인식하는데 있어서, 이 방법들은 일반적으로 덜 진단적이다. 또한, 이 방법들은 라만 및 적외선과 같은 진동 분광법 기술의 지문 감도가 부족하다.Other methods based on fluorescence data analysis exist and generally use changes in intrinsic fluorescence, also known as self-fluorescence, based on the distribution of external tags such as coloration or labels. In recognizing biochemical makeup and changes in makeup, these methods are generally less diagnostic. In addition, these methods lack the fingerprint sensitivity of vibration spectroscopy techniques such as Raman and infrared.

스펙트럼 인식 기술의 일반적인 문제는 많은 양의 스펙트럼 데이터가 생물학적 샘플을 테스트할 때 모인다는 것이다. 그 결과, 데이터 분석 처리는 계산상으로 복잡해지고 시간이 많이 걸리게 된다. 산란 및 베이스라인 인공 산물과 같이 현미경으로 얻어진 세포 및 조직의 적외선 스펙트럼 내에서 빈번히 관찰되는 교락 스펙트럼 기능을 스펙트럼 데이터가 종종 포함한다. 결국, 해당되는 세포 물질을 분리하고 교란 스펙트럼 기능을 제거하기 위해, 스펙트럼 데이터를 미리 조사하는 것은 도움이 된다.A common problem with spectral recognition techniques is that large amounts of spectral data are collected when testing biological samples. As a result, the data analysis process becomes computationally complex and time consuming. Spectral data often include entangled spectral functions that are frequently observed within the infrared spectrum of cells and tissues obtained microscopically, such as scattering and baseline artificial products. In the end, it is helpful to examine the spectral data in advance to isolate the corresponding cellular material and remove the disturbing spectral function.

교락 스펙트럼 특징 중 한 유형은 미 산란(Mie scattering)이고, 이는 샘플 형태-의존적 효과이다. 샘플이 불균일하고 샘플에 작용하는 빛의 파장에 가까운 크기의 입자들을 포함하는 경우, 이 효과는 적외선 흡수 및 반사 측정을 방해한다. 미 산란은 방대하고 기복이 있는 산란 기능에 의해 명시되고, 이 위로 적외선 흡수 기능이 겹쳐진다.One type of entanglement spectral feature is Mie scattering, which is a sample form-dependent effect. If the sample is non-uniform and contains particles of a size close to the wavelength of light acting on the sample, this effect interferes with infrared absorption and reflection measurements. Microscattering is manifested by a massive and undulating scattering function, overlaid by infrared absorption.

미 산란은 흡수성 및 반사성 선형의 혼합을 중재할 수도 있다. 원칙적으로, 순수한 흡수성 선형은 흡수성의 주파수-의존과 상응하고, 대부분 가우시안, 로렌찌안, 또는 그 둘의 혼합이다. 흡수 곡선은 복합 굴절률의 허수부에 해당한다. 반사적 기여는 복합 굴절률의 실수부에 해당하고, 선형 내에서 분산된다. 수치적 KK-변환에 의해 또는 복합 푸리에 변형(FT)의 실수부로서, 분산적 기여는 흡수성 선형으로부터 얻어질 수 있다.Non-scattering may mediate mixing of absorptive and reflective linear shapes. In principle, a pure absorbent linear corresponds to the frequency-dependent absorbency and is mostly Gaussian, Lorentian, or a mixture of the two. The absorption curve corresponds to the imaginary part of the composite refractive index. The reflective contribution corresponds to the real part of the composite index of refraction and is dispersed in a linear fashion. By numerical KK-transformation or as a real part of the composite Fourier transform (FT), the distributive contribution can be obtained from the absorbent linear.

공명 미(RMie) 기능은 흡수성 및 반사성 경합 형태의 혼합으로부터 나오고, 굴절률이 변칙 분산을 겪기 때문에 흡수성이 최대가 될 때 발생한다(즉, 흡수 밴드의 프로파일 상에서). 미 산란 또는 굴절률에 의존하는 다른 광학 효과들은 반사성 및 흡수성 선형을 혼합할 것이며, 이는 상기 밴드 프로파일의 왜곡 및 명백한 주파수 이동을 발생시킨다.The resonance RMie function comes from the mixing of absorbent and reflective contention forms and occurs when the absorptivity is at its maximum because the refractive index undergoes anomalous dispersion (ie on the profile of the absorption band). Other optical effects that depend on non-scattering or index of refraction will mix reflective and absorptive linearity, causing distortion of the band profile and apparent frequency shift.

도 1은 SCP와 SHP 모두에서 관찰되는 분산 밴드형에 의한 흡수 패턴의 오염을 보여준다. 도 1의 바닥 자국은 생물학적 조직의 일반 흡수 스펙트럼을 보여주는 반면, 상부 자국은 RMie 효과를 통하여 분산적 요소에 의해 심각하게 오염된 스펙트럼을 보여준다. 상기 스펙트럼 왜곡은 화학적 구성과 관련이 없는 것으로 나타나지만, 샘플의 형태에 의존한다. 이에 따른 밴드 강도 및 주파수 이동은 밴드 이동 발생 때문에 비오염 및 오염 스펙트럼이 다른 그룹으로 분류되도록 스펙트럼 분석을 악화시킨다. 방대하고 기복이 있는 배경 기능은 도 2에서 보여진다. 세포의 적외선 미세-분광법(IR-MSP) 패턴 상에서 겹쳐졌을 때, 이 기능들은 세포핵과 같은 구형 입자나 구형 세포에 의해 미 산란에 기인한다.1 shows the contamination of the absorption pattern by the dispersion band form observed in both SCP and SHP. The bottom trace of FIG. 1 shows the general absorption spectrum of the biological tissue, while the top trace shows the spectrum severely contaminated by the dispersive element through the RMie effect. The spectral distortion appears to be unrelated to the chemical makeup but depends on the shape of the sample. The resulting band intensities and frequency shifts exacerbate spectral analysis so that the non-contamination and contamination spectra are classified into different groups because of band shift occurrences. The vast and undulating background function is shown in FIG. When superimposed on an infrared micro-spectrometry (IR-MSP) pattern of cells, these functions are due to scattering by globular particles such as cell nuclei or globular cells.

IR-MSP 상에서 겹쳐진 도 1의 분산성 선형 외관은 M. Romeo, 외, Vibrational Spectroscopy, 38, 129 (2005) (이하 "Romeo 2005") 내의 이론적 분석에 따라 보고되었다. 분산성(반사성) 요소의 중첩부터 적외선 스펙트럼의 흡수성 기능 상에서 발생하면서, Romeo 2005은 왜곡된 밴드 형태를 구분한다. 이 효과들은 기기 조절 소프트웨어의 부정확한 위상 보정에 기인한다. 특히, FTIR 분광법 내에서 획득된 원래의 인터페로그램은 빈번히 "처프(chirped)"되거나 비대칭적이며, FT 전에 대칭화되어야 한다. 이것은 더 짧은 인터페로미터 스트로크 상에서 양면의 인터페로그램을 모으고, 대칭적 인터페로그램을 산출하기 위해 위상 보정을 계산함으로써 이뤄진다.The dispersive linear appearance of FIG. 1 overlaid on IR-MSP was reported according to theoretical analysis in M. Romeo, et al., Vibrational Spectroscopy, 38, 129 (2005) (hereafter “Romeo 2005”). From superposition of dissipative (reflective) elements to the absorbing function of the infrared spectrum, Romeo 2005 distinguishes between distorted band shapes. These effects are due to incorrect phase correction in the instrument control software. In particular, the original interferogram obtained within FTIR spectroscopy is frequently “chirped” or asymmetric and must be symmetrical before FT. This is done by gathering the interferograms on both sides on the shorter interferometer stroke and calculating the phase correction to yield a symmetric interferogram.

Romeo 2005에서, 이 과정은 적절하게 작동하지 않는다고 추정되었고, 이는 그것이 왜곡된 스펙트럼 기능을 생산하도록 한다. 왜곡된 스펙트럼의 실수부와 허수부 사이의 위상을 계산하고 보정된 실수부와 허수부의 위상으로부터 전력 스펙트럼을 재구성함으로써 왜곡된 스펙트럼 기능을 보정하려는 시도가 이뤄진다. Romeo 2005는 관찰된 적외선 스펙트럼의 각 흡수 밴드에서 굴절률은 변칙 분산을 겪는다는 것도 보고한다. 특정 상황에서, 다양한 양의 분산성 선형은 흡수성 스펙트럼과 함께 겹쳐지거나 혼합될 수 있다.In Romeo 2005, it was assumed that this process did not work properly, which caused it to produce a distorted spectral function. Attempts are made to correct the distorted spectral function by calculating the phase between the real and imaginary parts of the distorted spectrum and reconstructing the power spectrum from the phases of the corrected real and imaginary parts. Romeo 2005 also reports that the refractive index undergoes anomalous dispersion in each absorption band of the observed infrared spectrum. In certain circumstances, various amounts of dispersible linear may overlap or mix with the absorbance spectrum.

흡수성 및 반사성 밴드형 사이의 수학적 관계는 Kramers-Kronig(KK) 변환에 의해 제시되었고, 이는 두 가지 물리적 현상과 관련이 있다. 관찰된 스펙트럼 내의 분산성(반사성) 및 흡수성 효과의 혼합은 확인되었고, "위상 보정(PC)"이라고 불리는 절차를 통해 상기 효과를 보정하는 방법은 Romeo 2005에서 논의된다. 비록 분산성 및 흡수성 기여의 혼합 원인은 기기 소프트웨어 오작동에 잘못 기인하지만, 교락 효과의 원칙은 제대로 확인되었다. 하지만, 기본적 의술의 불완전한 이해 때문에 상기 제시된 보정 방법은 올바르게 작용하지 않는다.The mathematical relationship between the absorptive and reflective bands is presented by the Kramers-Kronig (KK) transformation, which is related to two physical phenomena. Mixing of dispersive (reflective) and absorptive effects in the observed spectra has been identified and a method of correcting the effects through a procedure called "phase correction (PC)" is discussed in Romeo 2005. Although the cause of the mix of dispersibility and absorbency contributions is incorrectly due to instrument software malfunction, the principle of entanglement effect has been well identified. However, because of the incomplete understanding of basic medicine, the correction method presented above does not work correctly.

P. Bassan 외, Analyst, 134, 1586 (2009) 및 P. Bassan 외, Analyst, 134, 1 171 (2009)는 분산성 및 흡수성 효과는 "공명 미 산란(RMieS)" 효과를 통해 혼합할 수 있다고 설명한다. 스펙트럼 왜곡을 보정하는 알고리즘 및 방법은 P. Bassan 외, "Resonant Mie Scattering (RMieS) correction of infrared spectra from highly scattering biological samples", Analyst, 135, 268-277 (2010)에서 설명되었다. 이 방법은 A. Kohler 외, Appl. Spectrosc, 59, 707 (2005) 및 A. Kohler 외, Appl. Spectrosc, 62, 259 (2008)에서 보고된 "Extended Multiplicative Signal Correction" (EMSC) 방법의 연장이다.P. Bassan et al., Analyst, 134, 1586 (2009) and P. Bassan et al., Analyst, 134, 1 171 (2009) suggest that the dispersibility and absorbency effects can be mixed through the “resonance misscattering” (RMieS) effect. Explain. Algorithms and methods for correcting spectral distortion have been described in P. Bassan et al., "Resonant Mie Scattering (RMieS) correction of infrared spectra from highly scattering biological samples", Analyst, 135, 268-277 (2010). This method is described in A. Kohler et al., Appl. Spectrosc, 59, 707 (2005) and A. Kohler et al., Appl. It is an extension of the "Extended Multiplicative Signal Correction" (EMSC) method reported in Spectrosc, 62, 259 (2008).

다중 선형 회귀 모형에 순수 흡수 스펙트럼의 KK-변환을 통해 얻어진 반사성 요소를 포함시킴으로써, 이 방법은 비-공명 미 산란을 적외선 스펙트럼 데이터베이스로부터 제거한다. 이 방법은 참조 스펙트럼의 반사성 기여 계산에 사용되는 입력정보 및 EMSC스케일링의 정상화 기능으로써 원래의 데이터 세트와 "참조(Reference)" 스펙트럼을 이용한다. 참조 스펙트럼이 선험적으로 인식되지 않았기 때문에, Bassan 등은 전체 데이터세트의 평균 스펙트럼 또는 순수 단백질 기질의 스펙트럼과 같은 인공 스펙트럼을 "근원(seed)" 참조 스펙트럼으로 사용한다. 알고리즘을 통한 최초 패스 후, 부속 패스 내의 모든 스펙트럼을 보정하기 위해 각각의 보정된 스펙트럼은 반복적 방식으로 사용될 수 있다. 결국, 1,000,000 보정 실행을 필요로 하면서, 1000 스펙트럼의 데이터세트는 1000 RMieS-EMSC 보정된 스펙트럼을 생산할 것이고, 각각은 다음 패스를 위해 독립적 새 참조 스펙트럼으로 사용될 것이다. "RMieS-EMSC" 알고리즘으로 불리는 이 알고리즘을 보정된 출력 스펙트럼의 안정적 수준에서 실행하는 것은 여러 패스들(~10) 및 며칠 동안 측정되는 계산 시간을 필요로 한다.By including reflective elements obtained through the KK-transformation of the pure absorption spectrum in the multiple linear regression model, this method eliminates non-resonant microscattering from the infrared spectral database. This method uses the original data set and the "Reference" spectrum as the normalization function of EMSC scaling and input information used to calculate the reflectance contribution of the reference spectrum. Since the reference spectra were not a priori recognized, Bassan et al. Used artificial spectra, such as the mean spectra of the entire dataset or the spectra of pure protein substrates, as the "seed" reference spectra. After the initial pass through the algorithm, each corrected spectrum can be used in an iterative manner to correct all the spectra in the accessory pass. Eventually, requiring 1,000,000 calibration runs, a dataset of 1000 spectra will produce 1000 RMieS-EMSC corrected spectra, each of which will be used as an independent new reference spectrum for the next pass. Running this algorithm, called the "RMieS-EMSC" algorithm at a stable level of the calibrated output spectrum, requires several passes (~ 10) and computational time measured over several days.

B. Bird, M. Miljkovic 및 M. Diem, "Two step resonant Mie scattering correction of infrared micro-spectral data: human lymph node tissue", J. Biophotonics, 3 (8-9) 597-608(2010)에서 논의되었듯, RMieS-EMSC 알고리즘은 계산 시간으로 몇 시간 또는 며칠을 필요로 하기 때문에, 산란 및 분산성 선형을 스펙트럼으로부터 제거하는 빠른 2단계 방법이 개발되었다. 이 방식은 van Hulst 방정식(H. C. Van De Hulst, Light Scattering by Small Particles, Dover, Mineola, NY, (1981) 참조)을 통해 계산된 미 산란 곡선과 마찬가지로, 순수 흡수 스펙트럼의 KK-변환부터 Extended Multiplicative Signal Correction (EMSC) (A. Kohler et al., Appl.Spectrosc, 62, 259(2008) 참고)로 알려진 절차를 통한 데이터세트의 모든 스펙트럼까지 얻어진 다중 분산 요소를 맞추고, 이 교란 요소들 없이 모든 스펙트럼을 재구성하는 것을 포함한다.Discussed in B. Bird, M. Miljkovic and M. Diem, "Two step resonant Mie scattering correction of infrared micro-spectral data: human lymph node tissue", J. Biophotonics, 3 (8-9) 597-608 (2010). As the RMieS-EMSC algorithm requires hours or days of computation time, a fast two-step method of removing scattering and dispersive linearity from the spectrum has been developed. This method, like the unscattered curve calculated by the van Hulst equation (see HC Van De Hulst, Light Scattering by Small Particles, Dover, Mineola, NY, (1981)), extends from the KK-transformation of the pure absorption spectrum to the Extended Multiplicative Signal. Fit multiple variance components obtained up to all spectra in the dataset by a procedure known as Correction (EMSC) (see A. Kohler et al., Appl. Spectrosc, 62, 259 (2008)), and correct all spectra without these disturbances. Involves reconstruction.

이 알고리즘은 데이터세트로부터 비오염 참조 스펙트럼을 사용함으로써 RMieS-EMSC 알고리즘에서 사용되는 반복적 방식을 피한다. 이 비오염 참조 스펙트럼은 데이터세트의 예비 군집 분석을 수행하고 "비오염" 스펙트럼으로 각 군집 내 최고 아미드 Ⅰ 주파수를 가진 스펙트럼을 선택하면서 발견되었다. 위에서 설명된 바와 같이 RMieS 보정을 위해 압축된 미 곡선을 따라, 이 스펙트럼은 수치적 KK변환을 통해 순수 반사성 스펙트럼으로 전환되었고 간섭 스펙트럼으로 사용되었다. 이 방식은 신속하지만, 몇몇의 스펙트럼 분류를 포함하는 데이터세트에서만 효과가 있다.This algorithm avoids the iterative approach used in the RMieS-EMSC algorithm by using a non-polluting reference spectrum from the dataset. This non-contamination reference spectrum was found by performing a preliminary cluster analysis of the dataset and selecting the spectrum with the highest amide I frequency in each cluster as the "non-contamination" spectrum. Along the micro curves compressed for RMieS correction as described above, this spectrum was converted to purely reflective spectra through a numerical KK transform and used as an interference spectrum. This approach is fast, but only effective for datasets that contain some spectral classification.

하지만 많은 조직 유형을 갖고 있는 스펙트럼 데이터세트의 경우, 비오염 스펙트럼의 추출은 지루해질 수 있다. 게다가, 이러한 상황에서, 데이터 내의 모든 스펙트럼이 대부분의 적정 간섭 스펙트럼에 맞춰진다고 보장하는 것은 불확실하다. 또한, 이 알고리즘은 보정을 위한 참조 데이터를 필요로 하고, 큰 데이터세트에서 최고의 효과를 발휘한다.But for spectral datasets with many tissue types, the extraction of non-pollutant spectra can be tedious. In addition, in such a situation, it is uncertain to ensure that all spectra in the data are fitted to most suitable interference spectra. In addition, this algorithm requires reference data for correction and works best with large datasets.

상기 내용에 비추어 볼 때, 스펙트럼 이미지에 의해 향상된 생물학적 표본 분석 방법은 의학적 진단을 제공하기 위해 여전히 필요하다. 더 나아가, 수정된 위상 보정 방식에 근거하고, 입력 데이터를 필요로 하지 않으며, 계산적으로 빠르고, 또한 현미경으로 얻어진 세포와 조직의 적외선 스펙트럼 내에서 빈번히 관찰되는 다양한 유형의 교락 스펙트럼 기여를 고려하는 향상된 사전 처리 방법이 필요하다.
In view of the above, methods for analyzing biological samples enhanced by spectral images are still needed to provide a medical diagnosis. Furthermore, an improved dictionary that is based on a modified phase correction scheme, requires no input data, is computationally fast, and takes into account the various types of entangled spectral contributions that are frequently observed within the infrared spectrum of cells and tissues obtained microscopically. A treatment method is necessary.

본 발명은 종래의 의료 진단을 위한 방법들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하고, 이에 근거하여 의료 진단을 제공하고자 한다.
The present invention has been made to solve the problems of the conventional methods for medical diagnosis, to analyze a biological sample by spectral imaging, and to provide a medical diagnosis based thereon.

본 발명의 일 측면은 의료 진단을 제공하기 위해 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 생물 표본의 스펙트럼 및 시각적 이미지를 획득하는 단계와, 세포 이상, 암 발병 전의 세포 및 암 세포를 발견하기 위해 상기 이미지를 등록하는 단계를 포함한다. 이 방법은 무엇보다도 표준 조직병리학 및 다른 스펙트럼 방법에 내재된 진단의 편견과 불신을 제거한다는 점에서 위에 설명된 장애물을 극복한다.One aspect of the present invention relates to a method of analyzing a biological sample by spectral imaging to provide a medical diagnosis. The method includes acquiring a spectral and visual image of a biological specimen and registering the image to detect cell abnormalities, cells before cancer, and cancer cells. This method overcomes the obstacles described above in that it eliminates the bias and distrust of diagnosis inherent in standard histopathology and other spectral methods.

본 발명의 다른 측면은 미시적으로 획득된 세포 및 조직의 적외선 스펙트럼에서 자주 관찰되는 교락 스펙트럼 기여(confounding spectral contributions)를 상기 스펙트럼 데이터에 위상 보정을 수행함으로써 보정하는 방법에 관한 것이다. 이러한 위상 보정 방법은 반사 요소에 의해 오염된 다양한 종류의 흡수 스펙트럼을 보정하기 위해 사용될 수 있다.Another aspect of the invention relates to a method for correcting confounding spectral contributions frequently observed in the infrared spectrum of microscopically acquired cells and tissues by performing phase corrections on the spectral data. This phase correction method can be used to correct various kinds of absorption spectra contaminated by reflective elements.

본 발명의 측면에 따르면, 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법은 상기 생물 표본의 스펙트럼 이미지를 획득하는 단계, 상기 생물 표본의 시각적 이미지를 획득하는 단계 및 상기 시각적 이미지와 스펙트럼 이미지를 등록하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a method of analyzing a biological specimen by spectral imaging may include obtaining a spectral image of the biological specimen, acquiring a visual image of the biological specimen, and registering the visual and spectral images. It includes.

본 발명의 측면에 따른 데이터 저장소를 개발하는 방법은 질병 또는 상태를 표시하는 시각적 이미지의 영역을 식별하는 단계, 상기 시각적 이미지의 영역을 상기 영역에 대응하는 스펙트럼 데이터에 연결하는 단계 및 상기 스펙트럼 데이터와 해당 질명 또는 상태 간의 연결을 저장하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a method of developing a data store includes: identifying an area of a visual image indicative of a disease or condition, connecting the area of the visual image to spectral data corresponding to the area, and Storing the association between the corresponding statement or state.

본 발명의 측면에 따른 의료 진단을 제공하는 방법은 생물 표본에 대한 분광 데이터를 획득하는 단계, 상기 생물 표본에 대한 분광 데이터를 질병 또는 상태에 관련된 저장소의 데이터와 비교하는 단계, 상기 저장소의 데이터 및 생물 표본에 대한 분광 데이터 간의 상관관계를 결정하는 단계 및 상기 결정과 관련된 진단을 출력하는 단계를 포함한다.A method for providing a medical diagnosis in accordance with an aspect of the present invention includes obtaining spectral data for a biological sample, comparing the spectral data for the biological sample with data in a reservoir related to a disease or condition, data in the reservoir and Determining a correlation between the spectral data for the biological sample and outputting a diagnosis associated with the determination.

본 발명의 측면에 따른 의료 진단을 제공하는 시스템은 프로세서, 상기 프로세서를 통해 기능하는 사용자 인터페이스 및 상기 프로세서에 의해 접근 가능한 저장소를 포함하며, 생물 표본의 분광 데이터가 얻어지고, 상기 생물 표본의 분광 데이터는 질병 또는 상태에 관련된 저장소의 데이터와 비교되며, 상기 저장소의 데이터 및 생물 표본에 대한 분광 데이터 간의 상관관계가 결정되고, 그리고 상기 결정과 관련된 진단을 출력한다.A system for providing medical diagnostics in accordance with aspects of the present invention includes a processor, a user interface functioning through the processor, and a repository accessible by the processor, wherein spectral data of a biological sample is obtained, and spectral data of the biological sample is obtained. Is compared with data in a reservoir related to a disease or condition, a correlation between the data in the reservoir and spectral data for a biological sample is determined, and outputs a diagnosis associated with the determination.

본 발명의 측면에 따른 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터가 의료 진단을 제공하도록 컨트롤 로직을 그 안에 저장시키는 컴퓨터 사용 매체를 포함한다. 상기 컨트롤 로직은 생물 표본에 대한 분광 데이터를 획득하기 위한 첫 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드, 상기 생물 표본에 대한 분광 데이터를 질병 또는 상태와 관련된 저장소의 데이터와 비교하기 위한 두 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드, 상기 저장소의 데이터 및 생물 표본에 대한 분광 데이터 간의 상관관계를 결정하기 위한 세 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드 및 상기 결정과 관련된 진단을 출력하기 위한 네 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드를 포함한다.
A computer program product according to an aspect of the present invention includes a computer-used medium that stores control logic therein for the computer to provide a medical diagnosis. The control logic includes first computer readable program code for obtaining spectral data for a biological sample, second computer readable program code for comparing spectral data for the biological sample with data in a reservoir associated with a disease or condition, the reservoir A third computer readable program code for determining a correlation between the data and the spectral data for the biological sample, and a fourth computer readable program code for outputting a diagnosis associated with the determination.

본 발명은 생물 표본의 스펙트럼 및 시각적 이미지를 획득하는 단계와, 세포 이상, 암 발병 전의 세포 및 암 세포를 발견하기 위해 상기 이미지를 등록하는 단계를 포함하는 의료 진단을 제공하기 위해 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 표준 조직병리학 및 다른 스펙트럼 방법에 내재된 진단의 편견과 불신을 제거할 수 있는 효과가 있다.The present invention provides a biological diagnosis by spectral imaging to provide a medical diagnosis comprising acquiring a spectral and visual image of a biological sample, and registering the image to detect cell abnormalities, cells before cancer, and cancer cells. A method for analyzing samples, which has the effect of eliminating the bias and distrust of diagnosis inherent in standard histopathology and other spectral methods.

또한, 미시적으로 획득된 세포 및 조직의 적외선 스펙트럼에서 자주 관찰되는 교락 스펙트럼 기여의 보정 방법은 상기 스펙트럼 데이터 상의 위상 보정을 수행하는 단계를 포함하며, 이러한 위상 보정 방법은 반사 요소에 의해 오염된 다양한 유형의 흡수 스펙트럼을 보정할 수 있는 효과가 있다.
In addition, a method for correcting the entanglement spectral contribution that is frequently observed in the infrared spectra of microscopically acquired cells and tissues includes performing phase corrections on the spectral data, which phase correction methods are various types contaminated by reflective elements. There is an effect that can correct the absorption spectrum of.

도 1은 일반적으로 SCP 및 SHP 모두에서 관찰되는 분산 밴드 모양에 의한 흡수 패턴의 오염을 나타낸다.
도 2는 구형 입자에 의한 미 산란(Mie scattering)에 기여하는 세포의 IR-MSP 스펙트럼 상에서 일반적으로 관찰되는 넓고, 높낮이가 있는 배경 특징을 보여준다.
도 3은 본 발명의 측면에 따라 스펙트럼 이미징에 의해 생물 샘플을 분석하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 측면에 따라 스펙트럼 이미지를 획득하는 방법의 단계를 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 측면에 따라 스펙트럼 데이터의 사전 처리 방법의 단계를 나타내는 순서도이다.
도 6A는 본 발명의 측면에 따라 선형 배경 상에 겹쳐진 일반적인 스펙트럼을 보여준다.
도 6B는 본 발명의 측면에 따라 2차 파생 스펙트럼의 예를 보여준다.
도 7은 본 발명의 측면에 따라 인터페로그램의 실수부 부분을 보여준다.
도 8은 본 발명의 측면에 따라 위상 보정 후 최대 강도를 생성하는 위상각이 손상되지 않은 스펙트럼으로 간주되는 것을 보여준다.
도 9A는 본 발명의 측면에 따라 베이스라인 경사를 모방하는 분산 효과에 의해 오염되는 흡수 스펙트럼을 보여준다.
도 9B는 본 발명의 측면에 따라 전방 FT의 허수 부분이 스펙트럼의 경계에서 강한 곡선 효과를 보이며, 그 결과 보정된 스펙트럼이 오염되는 것을 보여준다.
도 10A는 본 발명의 측면에 따라 막낭(capsule)에서 유방암 미세전이가 확인된 림프절을 보여주는 H&E-기반 조직병리학이다.
도 10B는 본 발명의 측면에 따라 도 10A의 림프절 부분에서 수행된 위계적 군집 분석(Hierarchical Cluster Analysis: HCA)에 의한 데이터 세분화를 보여준다.
도 10C는 본 발명의 측면에 따라 각 스펙트럼의 아미드 I 진동 밴드(amide I vibrational band)의 피크 주파수를 보여주는 도면이다.
도 10D는 본 발명의 측면에 따라 RMieS 보정을 이용하여 위상-보정 후 도 10A의 동일한 림프절 부분의 이미지를 보여준다.
도 11A는 본 발명의 측면에 따라 도 10D의 RMieS 보정을 이용한 위상-보정 후 HCA의 결과를 보여준다.
도 11B는 본 발명의 측면에 따른 도 11A의 림프절 부분의 H&E-기반 조직병리학이다.
도 12A는 착색된 자궁 경부 이미지 부분의 시각적 미세 이미지이다.
도 12B는 본 발명의 측면에 따라 조직이 착색되기 이전에 수집된 적외선 데이터세트의 위계적 군집 분석으로부터 생성된 적외선 스펙트럼 이미지이다.
도 13A는 본 발명의 측면에 따른 H&E-착색된 겨드랑이 림프절 부분의 시각적 미세 이미지이다.
도 13B는 본 발명의 측면에 따라 조직이 착색되기 이전에 수집된 적외선 데이터세트의 인공 신경망(ANN) 분석으로부터 생성된 적외선 스펙트럼 이미지이다.
도 14A는 본 발명의 측면에 따른 소세포성 폐암 조직 시각적 이미지이다.
도 14B는 본 발명의 측면에 따른 도 14A에 표시된 조직의 HCA-기반 스펙트럼 이미지이다.
도 14C는 본 발명의 측면에 따른 도 14A의 시각적 이미지 및 도 14B의 스펙트럼 이미지의 등록된 이미지이다.
도 14D는 본 발명의 측면에 따른 도 14C의 등록된 이미지에 대한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 예이다.
도 15A는 본 발명의 측면에 따른 H&E-착색된 림프절 조직 부분의 시각적 미세 이미지이다.
도 15B는 본 발명의 측면에 따른 도 15A에 표시된 부분의 글로벌 디지털 착색 이미지이며, 림프절의 막낭과 내부를 구별한다.
도 15C는 본 발명의 측면에 따른 도 15A에 표시된 부분의 진단 디지털 착색 이미지이며, 막낭, 전이성 유방암, 조직구, 활성화된 B-림프구 및 T-림프구를 구별한다.
도 16은 본 발명의 측면에 따른 글로벌 및 진단 디지털 착색 간 관계의 개략도이다.
도 17A는 본 발명의 측면에 따른 겨드랑이 림프절에서 H&E-착색된 조직 부분의 시각적 이미지이다.
도 17B는 본 발명의 측면에 따른 유방암 미세전이의 SHP-기반 디지털 착색된 영역이다.
도 17C는 본 발명의 측면에 따른 B-림프구가 차지하는 SHP-기반 디지털 착색된 영역이다.
도 17D는 본 발명의 측면에 따른 조직세포가 차지하는 SHP-기반 디지털 착색된 영역이다.
도 18은 본 발명의 측면에 따라 개별 암 세포의 감지 및 SHP를 통한 암 세포의 작은 군집을 설명한다.
도 19A는 본 발명의 측면에 따라 폐 선암(lung adenocarcinoma), 소세포암(small cell carcinoma), 편평 상피 세포 암종 세포(squamous cell carcinoma cells)로부터 기록된 세포 스펙트럼으로 구성된 원시 스펙트럼 데이터 세트를 보여준다.
도 19B는 본 발명의 측면에 따라 폐 선암, 소세포암 및 편평 상피 세포 암종 세포로부터 기록된 세포 스펙트럼으로 구성된 보정된 스펙트럼 데이터 세트를 보여준다.
도 19C는 본 발명의 측면에 따라 폐 선암, 소세포암 및 편평 상피 세포 암종 세포에 대한 표준 스펙트럼을 보여준다.
도 19D는 도 19C의 스펙트럼으로부터 계산된 KK 변환 스펙트럼을 보여준다.
도 19E는 본 발명의 측면에 따라 EMSC 보정 전 다중 클래스 데이터 세트의 PCA 스코어 도면을 보여준다.
도 19F는 본 발명의 측면에 따라 EMSC 보정 후 다중 클래스 데이터 세트의 PCA 스코어 도면을 보여준다.
도 20A는 본 발명의 측면에 따라 폐 선암, 소세포암 및 편평 상피 암종의 평균 흡광 스펙트럼(mean absorbance spectra)을 보여준다.
도 20B는 본 발명의 측면에 따라 도 20A에 표시된 흡광 스펙트럼의 2차 파생 스펙트럼을 보여준다.
도 21A는 본 발명의 측면에 따라 선암, 소세포암 및 편평 상피 세포 암종 세포를 포함하는 1㎜ x 1㎜ 조직 영역의 4 스티치된 미세 R&E-착색된 이미지를 보여준다.
도 21B는 본 발명의 측면에 따라 도 21A에 표시된 상기 조직 영역으로부터 기록된 4 스티치된 원시 적외선 이미지의 1350㎝-1 - 900㎝-1 스펙트럼 영역에서 빠르게 감소하는 RCA 분석의 성능에 의해 만들어진 바이너리 마스크 이미지이다.
도 21C는 본 발명의 측면에 따른 진단 세포 물질의 영역으로부터 기록된 소량 보정된 스펙트럼 데이터의 6-군집 RCA 이미지이다.
도 22는 본 발명의 측면과 함께 사용할 수 있는 컴퓨터 시스템의 다양한 특징을 보여준다.
도 23은 본 발명의 측면과 함께 사용할 수 있는 컴퓨터 시스템을 보여준다.
1 shows the contamination of the absorption pattern by the dispersion band shape generally observed in both SCP and SHP.
FIG. 2 shows broad, tall background features generally observed on the IR-MSP spectra of cells that contribute to Mie scattering by spherical particles.
3 is a flow chart illustrating a method of analyzing a biological sample by spectral imaging in accordance with an aspect of the present invention.
4 is a flow chart illustrating the steps of a method of obtaining a spectral image in accordance with an aspect of the present invention.
5 is a flow chart illustrating the steps of a method of preprocessing spectral data in accordance with aspects of the present invention.
6A shows a general spectrum superimposed on a linear background in accordance with aspects of the present invention.
6B shows an example of secondary derivative spectra in accordance with aspects of the present invention.
7 shows the real part of the interferogram according to aspects of the present invention.
8 shows that the phase angle which produces the maximum intensity after phase correction according to aspects of the present invention is considered an intact spectrum.
9A shows absorption spectra contaminated by the dispersing effect that mimics the baseline slope in accordance with aspects of the present invention.
9B shows that the imaginary part of the front FT exhibits a strong curve effect at the boundary of the spectrum, resulting in contamination of the corrected spectrum according to aspects of the present invention.
10A is H & E-based histopathology showing lymph nodes with confirmed breast cancer micrometastasis in the capsule in accordance with aspects of the present invention.
FIG. 10B shows data segmentation by Hierarchical Cluster Analysis (HCA) performed in the lymph node portion of FIG. 10A in accordance with aspects of the present invention. FIG.
FIG. 10C shows the peak frequencies of amide I vibrational bands in each spectrum in accordance with aspects of the present invention. FIG.
10D shows an image of the same lymph node portion of FIG. 10A after phase-calibration using RMieS correction in accordance with aspects of the present invention.
11A shows the results of HCA after phase-correction using the RMieS correction of FIG. 10D in accordance with aspects of the present invention.
11B is H & E-based histopathology of the lymph node portion of FIG. 11A in accordance with aspects of the present invention.
12A is a visual microscopic image of a colored cervical image portion.
12B is an infrared spectral image generated from hierarchical clustering analysis of an infrared dataset collected prior to tissue staining according to aspects of the present invention.
FIG. 13A is a visual microscopic image of a portion of an H & E-colored armpit lymph node in accordance with aspects of the present invention. FIG.
FIG. 13B is an infrared spectral image generated from an artificial neural network (ANN) analysis of an infrared dataset collected prior to tissue staining according to aspects of the present invention.
14A is a small cell lung cancer tissue visual image in accordance with aspects of the present invention.
FIG. 14B is an HCA-based spectral image of the tissue shown in FIG. 14A in accordance with aspects of the present invention. FIG.
14C is a registered image of the visual image of FIG. 14A and the spectral image of FIG. 14B in accordance with an aspect of the present invention.
14D is an example of a graphical user interface (GUI) for the registered image of FIG. 14C in accordance with an aspect of the present invention.
15A is a visual microscopic image of H & E-stained lymph node tissue sections according to aspects of the present invention.
FIG. 15B is a global digital staining image of the portion shown in FIG. 15A in accordance with aspects of the present invention, which distinguishes the membrane sac from the interior of the lymph node.
FIG. 15C is a diagnostic digitally pigmented image of the portion indicated in FIG. 15A in accordance with aspects of the present invention, distinguishing meninges, metastatic breast cancer, histocytes, activated B-lymphocytes, and T-lymphocytes.
16 is a schematic diagram of the relationship between global and diagnostic digital staining in accordance with aspects of the present invention.
17A is a visual image of H & E-colored tissue sections in axillary lymph nodes in accordance with aspects of the present invention.
17B is an SHP-based digitally colored region of breast cancer micrometastasis in accordance with aspects of the present invention.
17C is an SHP-based digitally colored region occupied by B-lymphocytes in accordance with aspects of the present invention.
17D is an SHP-based digitally colored region occupied by tissue cells according to aspects of the present invention.
18 illustrates the detection of individual cancer cells and a small population of cancer cells via SHP in accordance with aspects of the present invention.
19A shows a raw spectral data set consisting of cell spectra recorded from lung adenocarcinoma, small cell carcinoma, squamous cell carcinoma cells in accordance with aspects of the present invention.
19B shows a calibrated spectral data set consisting of cell spectra recorded from lung adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous cell carcinoma cells in accordance with aspects of the present invention.
19C shows standard spectra for lung adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous cell carcinoma cells in accordance with aspects of the present invention.
19D shows the KK transform spectrum calculated from the spectrum of FIG. 19C.
19E shows a PCA score plot of a multi-class data set before EMSC correction in accordance with aspects of the present invention.
19F shows a PCA score plot of a multiclass data set after EMSC correction in accordance with aspects of the present invention.
20A shows the mean absorbance spectra of lung adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous epithelial carcinoma in accordance with aspects of the present invention.
20B shows a second derivative spectrum of the absorbance spectrum shown in FIG. 20A in accordance with aspects of the present invention.
FIG. 21A shows four stitched fine R & E-colored images of 1 mm × 1 mm tissue area comprising adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous cell carcinoma cells in accordance with aspects of the present invention.
21B is 1350㎝ -1 of the four stitches of the raw infrared image recorded from the tissue area, shown in Figure 21A in accordance with the aspect of the invention a binary mask was made by analyzing the performance of the RCA which decreases rapidly from 900㎝ -1 spectral region Image.
FIG. 21C is a 6-group RCA image of minor corrected spectral data recorded from a region of diagnostic cell material in accordance with aspects of the present invention. FIG.
22 illustrates various features of a computer system that can be used with aspects of the present invention.
23 shows a computer system that can be used with aspects of the present invention.

달리 정의되지 않는 한, 여기에 쓰이는 모든 기술 및 과학 용어는 일반적으로 본 발명의 측면이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해되는 것과 같이 동일한 의미를 갖는다. 여기에 설명된 유사하거나 그에 상응하는 방법과 자료가 연습 또는 테스트에 이용될 수 있지만, 적절한 방법 및 자료는 아래에 설명된다. 여기에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허 및 다른 참고 문헌들은 전체 참조로 통합된다. 저촉의 경우에, 이 명세서, 포함하는 정의는 조절될 것이다. 또한, 자료, 방법 및 예시는 설명만으로 제한되지 않는다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein generally have the same meaning as understood by one of ordinary skill in the art to which aspects of the present invention pertain. Similar or equivalent methods and materials described herein may be used for practice or testing, but appropriate methods and materials are described below. All publications, patent applications, patents, and other references mentioned herein are incorporated by reference in their entirety. In the case of a conflict, this specification, the definitions containing it, will control. In addition, the materials, methods, and examples are not limited to explanations.

본 발명의 일 측면은 의료 진단을 제공하기 위해 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법에 관한 것이다. 상기 생물 표본은 수술 방법, 생체 검사 및 배양된 샘플에 의해 얻어진 의료 표본일 수 있다. 상기 방법은 생물 표본의 스펙트럼 및 시각적 이미지를 획득하는 단계와, 세포 이상, 암 발병 전의 세포 및 암 세포를 발견하기 위해 상기 이미지를 등록하는 단계를 포함한다. 상기 생물 표본은 조직이나 세포 샘플을 포함할 수 있으나, 일부 어플리케이션에서는 조직 샘플이 선호된다. 이러한 방법은 비정상적이거나 유방, 자궁, 신장, 고환, 난소 또는 전립선 암, 폐소세포암종, 비소세포성 폐암 및 흑색종을 포함하나 이에 국한되지 않는 암 및 기타 질환뿐만 아니라 염증, 괴사 및 세포 자멸을 포함하나 이에 국한되지 않는 암화되지 않은 효과를 식별한다.One aspect of the present invention relates to a method of analyzing a biological sample by spectral imaging to provide a medical diagnosis. The biological sample may be a medical sample obtained by surgical method, biopsy and cultured sample. The method includes acquiring a spectral and visual image of a biological specimen and registering the image to detect cell abnormalities, cells before cancer, and cancer cells. The biological sample may include tissue or cell samples, but in some applications tissue samples are preferred. Such methods include inflammation, necrosis and apoptosis, as well as cancer and other diseases that are abnormal or include, but are not limited to, breast, uterus, kidney, testes, ovarian or prostate cancer, pulmonary cell carcinoma, non-small cell lung cancer, and melanoma. Identify non-impacted effects that are not limited to one.

본 발명의 측면에 따른 한 가지 방법은 표준 조직병리학 및 다른 스펙트럼 방법에 내재된 진단의 편견과 불신을 제거하거나 전반적으로 감소시킨다는 점에서 위에서 논의된 장애물을 극복한다. 또한, 양적 및 재현 측정에 의해 생성되고, 고전적인 조직병리학에 대한 교정된 알고리즘에 의해 분석된 조직 유형의 스펙트럼 데이터베이스에 접근할 수 있다. 이러한 방법을 통해 예를 들면, 비정상 및 암 세포는 표준 조직병리학 또는 다른 스펙트럼 기술을 포함하는 관련 기술에 의해 식별될 수 있는 것보다 앞서 발견될 수 있다.One method according to aspects of the present invention overcomes the obstacles discussed above in that it eliminates or overall reduces the bias and distrust of diagnosis inherent in standard histopathology and other spectral methods. It is also possible to access a spectral database of tissue types generated by quantitative and reproducible measurements and analyzed by calibrated algorithms for classical histopathology. Through this method, for example, abnormal and cancerous cells can be found earlier than can be identified by related techniques, including standard histopathology or other spectral techniques.

본 발명의 측면에 따른 방법은 도 3의 순서도에 도시된다. 도 3에 표시된 바와 같이, 상기 방법은 일반적으로 생물 부분을 획득하는 단계(301), 상기 생물 부분의 스펙트럼 이미지를 획득하는 단계(302), 동일한 상기 생물 부분의 시각적 이미지를 획득하는 단계(303) 및 이미지 등록을 수행하는 단계(304)를 포함한다. 상기 등록된 이미지는 선택적으로 훈련 받을 수 있으며(305), 의료 진단이 획득될 수 있다(306).The method according to aspects of the present invention is shown in the flowchart of FIG. 3. As indicated in FIG. 3, the method generally includes obtaining a biological portion 301, obtaining a spectral image of the biological portion 302, and obtaining a visual image of the same biological portion 303. And performing 304 an image registration. The registered image may be selectively trained (305) and a medical diagnosis may be obtained (306).

생물 부분Creature part

도 3에 표시된 본 발명의 예시 방법에 따라 상기 생물 부분을 획득하는 단계(301)는 인간 또는 동물과 같은 개인으로부터 조직이나 세포 물질의 추출을 의미한다. 조직 부분은 코어 및 펀치 생검(punch biopsy)과 절개를 포함하는 방법에 의해 획득될 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 세포 물질은 면봉 채취(swabbing)(박락물(exfoliation)), 세탁(waching)(세척(lavages)) 및 세침흡인세포검사(fine needle aspiration: FNA)를 포함하는 방법에 의해 획득될 수 있으며, 이에 국한되지 않는다.Acquiring the biological portion 301 according to the exemplary method of the present invention shown in FIG. 3 means extraction of tissue or cellular material from an individual such as a human or an animal. Tissue sections can be obtained by methods including, but not limited to, core and punch biopsy and incision. Cellular material may be obtained by methods including swabbing (exfoliation), washing (lavages), and fine needle aspiration (FNA) It is not limited.

스펙트럼 및 시각적 이미지를 획득 받을 조직 부분은 표준 조직병리학에서 사용되는 방법에 따라 냉동 또는 파라핀(paraffin)이 포함된 조직 블록에서 준비될 수 있다. 상기 부분은 스펙트럼 데이터 획득 및 시각적 병리학에 사용될 수 있는 슬라이드 상에 장착될 수 있다. 예를 들어, 상기 조직은 플루오르화 칼슘(CaF2) 또는 상업적으로 이용 가능한 "low-e" 슬라이드와 같은 적외선 반사 슬라이드를 포함하나 이에 제한되지 않는 물질로 구성된 적외선 투명 현미경 슬라이드 상에 장착될 수 있다. 장착 후, 파라핀-포함 샘플은 탈파라핀화(deparaffinization)를 받게 될 수 있다.The portion of tissue to acquire spectral and visual images can be prepared from frozen or paraffin-containing tissue blocks, depending on the method used in standard histopathology. The portion can be mounted on a slide that can be used for spectral data acquisition and visual pathology. For example, the tissue may be mounted on an infrared transparent microscope slide composed of a material including, but not limited to, infrared reflective slides such as calcium fluoride (CaF 2 ) or commercially available "low-e" slides. . After mounting, the paraffin-comprising sample may be subjected to deparaffinization.

스펙트럼 이미지Spectrum image

본 발명의 측면에 따라, 도 3에 표시된 상기 생물 부분의 스펙트럼 이미지를 획득하는 단계(302)는 도 4의 순서도에 나타난 바와 같이 상기 생물 부분으로부터 스펙트럼 데이터를 획득하는 단계(401), 데이터 사전 처리를 수행하는 단계(402), 다변량 분석(multivariate analysis)을 수행하는 단계(403) 및 상기 생물 부분의 그레이스케일(grayscale) 또는 의사-색채(pseudo-color) 이미지를 생성하는 단계(404)를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, the step 302 of obtaining a spectral image of the biological part shown in FIG. 3 comprises the steps of acquiring 401 spectral data from the biological part, as shown in the flowchart of FIG. Step 402, performing multivariate analysis 403, and generating 404 a grayscale or pseudo-color image of the biological part. can do.

스펙트럼 데이터Spectral data

도 4에 명시된 바와 같이, 상기 생물 부분으로부터의 스펙트럼 데이터는 401 단계에서 획득될 수 있다. 조직 샘플과 같이 착색되지 않은 생물 샘플로부터의 스펙트럼 데이터는 상기 샘플의 화학적 구성의 스냅샷을 캡쳐하기 위해 얻어질 수 있다. 상기 스펙트럼 데이터는 픽셀 정보의 조직 부분으로부터 수집될 수 있으며, 각각의 픽셀은 세포 핵의 크기 정도이다. 각 픽셀은 고유의 스펙트럼 패턴을 가지며, 샘플의 상기 스펙트럼 패턴이 비교될 때 조직의 생화학 구성에서 작지만 반복되는 차이를 보일 수 있다.As indicated in FIG. 4, spectral data from the biological portion can be obtained in step 401. Spectral data from unstained biological samples, such as tissue samples, can be obtained to capture a snapshot of the chemical composition of the sample. The spectral data can be collected from the tissue portion of the pixel information, each pixel being about the size of the cell nucleus. Each pixel has a unique spectral pattern and can show small but repeated differences in the biochemical makeup of the tissue when the spectral patterns of the samples are compared.

상기 스펙트럼 데이터는 적외선(infrared), 라만(Raman), 가시(visible), 테라헤르츠(terahertz) 및 형광(fluorescence) 분광법(spectroscopy)을 포함하나 이에 제한되지 않는 방법에 의해 수집될 수 있다. 적외선 분광법은 감쇠 전반사(attenuated total reflectance: ATR) 및 감쇠 전반사 푸리에 변환 적외선 분광법(attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy: ATR-FTIR)을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 일반적으로, 적외선 분광법은 라만 분광법에 의해서도 나타날 수 있는 지문 감도(fingerprint sensitivity)의 이유로 사용될 수 있다. 적외선 분광법은 큰 조직 부분과 함께, 그리고 라만 분광법보다 더욱 관리 가능한 사이즈의 데이터세트를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 적외선 분광법 데이터는 완전 자동 데이터 수집 및 해석을 더욱 잘 처리할 수 있다. 게다가, 적외선 분광법은 질병의 다양한 조직 구조 및 진단의 검출에 필요한 감도 및 특이성을 가질 수 있다.The spectral data may be collected by methods including but not limited to infrared, Raman, visible, terahertz and fluorescence spectroscopy. Infrared spectroscopy may include, but is not limited to, attenuated total reflectance (ATR) and attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR). In general, infrared spectroscopy can be used for reasons of fingerprint sensitivity that may also be exhibited by Raman spectroscopy. Infrared spectroscopy can be used with large tissue parts and to provide datasets of a more manageable size than Raman spectroscopy. In addition, infrared spectroscopy data can better handle fully automatic data collection and interpretation. In addition, infrared spectroscopy can have the sensitivity and specificity necessary for the detection of various tissue structures and diagnoses of the disease.

일반적으로 스펙트럼 데이터의 강도 축(intensity axis)은 흡수(absorbance), 반사(reflectance), 이미턴스(emittance), 분산 강도(scattering intensity) 또는 광력(light power)의 다른 적절한 척도를 나타낸다. 파장(wavelength)은 실제 파장, 파상수(wavenumber), 주파수 또는 전자기 방사선의 에너지와 관련될 수 있다.In general, the intensity axis of the spectral data represents another suitable measure of absorption, reflection, emittance, scattering intensity or light power. The wavelength may be related to the actual wavelength, wavenumber, frequency or energy of electromagnetic radiation.

적외선 데이터의 획득은 현재 사용할 수 있는 푸리에 변환 적외선 이미징 마이크로분광계(microspectrometers), 양자 캐스케이드(quantum cascade)나 비-선형 광학 장치(non-linear optical devices)와 같이 조정 가능한 레이저-기반 이미징 장치 또는 다른 기술을 기반으로 한 동등한 기능의 다른 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 조정 가능한 레이저를 이용한 상기 스펙트럼 데이터의 획득은 미국 특허 출원 번호 13/084,287 제목 "Tunable Laser-Based Infrared Imaging System and Method of Use Thereof"에 추가적으로 설명되며, 이는 참조에 의해 여기에 전체적으로 통합된다.Acquisition of infrared data can be performed using currently available Fourier transform infrared imaging microspectrometers, tunable laser-based imaging devices or other technologies such as quantum cascades or non-linear optical devices. It can be performed using other devices of equivalent function based on the above. The acquisition of the spectral data using an adjustable laser is further described in US patent application Ser. No. 13 / 084,287 entitled "Tunable Laser-Based Infrared Imaging System and Method of Use Thereof", which is hereby incorporated by reference in its entirety.

본 발명의 측면에 따른 하나의 방법에 의하면, 병리학자 또는 기술자는 착색된 조직 부분의 영역을 선택할 수 있으며, 착색 전 상기 조직에 수집된 초분광(hyperspertral) 데이터세트에 따라 실시간으로 상기 조직 영역의 분광-기반 평가를 받을 수 있다. 스펙트럼 데이터는 선택된 착색되지 않은 조직 샘플에서 상기 픽셀 각각에 대해 수집될 수 있다. 수집된 각각의 스펙트럼은 각 조직 픽셀의 화학 성분의 지문을 포함한다. 스펙트럼 데이터의 획득은 WO 2009/146425에 설명되며, 이는 참조에 의해 여기에 전체적으로 통합된다.According to one method according to an aspect of the present invention, a pathologist or technician can select a region of pigmented tissue portions, and in real time according to a hyperspectral dataset collected on the tissue prior to pigmentation. Spectroscopic-based evaluation can be taken. Spectral data can be collected for each of the pixels in a selected uncolored tissue sample. Each spectrum collected includes a fingerprint of the chemical component of each tissue pixel. The acquisition of spectral data is described in WO 2009/146425, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

일반적으로, 상기 스펙트럼 데이터는 초분광 데이터세트를 포함하고, 이는 N = n · m 개별 스펙트럼 또는 스펙트럼 벡터(흡수, 방출, 반사 등)를 포함하는 구조이며, 상기 n 및 m은 각각 이미지의 x와 y 차원에서의 픽셀의 수이다. 각 스펙트럼은 상기 샘플의 고유한 픽셀과 연관되고, 그 좌표 x 및 y에 위치할 수 있으며, 1 < x ≤ n, 1 < y ≤ m 이다. 각각의 벡터는 k 강도 데이터 포인트를 가지며, 이는 보통 주파수 또는 파상수 도메인에 동일하게 이격된다.In general, the spectral data comprises a hyperspectral dataset, where N = nm, a structure comprising individual spectra or spectral vectors (absorption, emission, reflection, etc.), where n and m are each the x and The number of pixels in the y dimension. Each spectrum is associated with a unique pixel of the sample and can be located at its coordinates x and y, where 1 <x ≤ n, 1 <y ≤ m. Each vector has k intensity data points, which are usually equally spaced in the frequency or wave domain.

상기 스펙트럼 이미지의 픽셀 사이즈는 일반적으로 세포 이하의 해상도를 얻기 위해 전형적인 세포 사이즈보다 더 작게 선택될 수 있다. 상기 사이즈는 빛의 회절 한계(diffraction limit of the light)에 의해 결정될 수도 있으며, 이는 일반적으로 적외선의 약 5㎛ 내지 약 7㎛이다. 따라서, 조직의 1㎟ 부분에 대하여 약 1402 내지 약 2002의 개별 픽셀 적외선 스펙트럼이 수집될 수 있다. 스펙트럼 "하이퍼큐브"의 N 픽셀, 그 x 및 y 좌표 및 그 강도 벡터(강도 대 파장) 각각이 저장된다.The pixel size of the spectral image can generally be chosen smaller than the typical cell size to achieve sub-cell resolution. The size may be determined by the diffraction limit of the light, which is generally about 5 μm to about 7 μm of infrared light. Thus, individual pixel infrared spectra of about 140 2 to about 200 2 can be collected for a 1 mm 2 portion of tissue. N pixels of the spectrum "hypercube", their x and y coordinates and their intensity vectors (intensity versus wavelength) are each stored.

사전 처리Preprocessing

상기 스펙트럼 데이터를 사전 처리의 형태로 종속시키는 것은 관심의 상기 세포 물질에 관계된 데이터의 분리 및 교락 스펙트럼 기능의 제거에 도움이 될 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 스펙트럼 데이터가 수집되면 402 단계에서 명시된 바와 같이 이러한 사전 처리를 받게 될 수 있다.Dependency of the spectral data in the form of pretreatment may aid in the separation of data related to the cellular material of interest and removal of entangled spectral functions. Referring to FIG. 4, once the spectral data is collected, it may be subjected to such preprocessing as specified in step 402.

사전 처리는 관심의 상기 세포 데이터를 분리하기 위해 샘플링 지역의 비-진단 영역으로부터 분리 진단하는 이진 마스크(binary mask)의 생성을 포함할 수 있다. 이진 마스크의 생성 방법은 WO 2009/146425에 공개되며, 이는 참조에 의해 여기에 전체적으로 통합된다.Pretreatment can include the generation of a binary mask that separates and diagnoses from the non-diagnostic region of the sampling area to separate the cellular data of interest. A method of generating a binary mask is disclosed in WO 2009/146425, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

본 발명의 다른 측면에 따른 사전 처리 방법은 그들간의 위상각을 조절하여 스펙트럼의 실수부 및 허수부의 분리를 최적화하는 "위상 보정" 알고리즘에 의함으로써 관찰된 흡수 스펙트럼의 분산되는 선 모양의 보정을 허용한다. 계산적으로 빠른 이 방법은 입력 데이터가 요구되지 않는 교정된 위상 보정 방식을 기반으로 한다. 적절한 위상각이 실험적으로 결정될 수 있는 위상 보정은 FTIR 및 NMR 분광법(후자의 경우, 인터페로그램은 보통 "자유 유도 붕괴, FID"로 지칭된다)의 원시 인터페로그램의 사전 처리에 사용되지만, 본 발명의 이러한 측면의 방법은 Mie, RMie 및 굴절률(refractive index)의 변칙 분산(anomalous dispersion)에 기인하는 다른 효과와 같은 완화 요인(mitigating factor)을 고려한다는 점에서 이전의 위상 보정 방식과 다르며, 스펙트럼 데이터세트에 소급하여 적용될 수 있다.The preprocessing method according to another aspect of the present invention allows for the correction of the scattered line shape of the observed absorption spectrum by an "phase correction" algorithm that adjusts the phase angle between them to optimize the separation of the real and imaginary parts of the spectrum. do. This computationally fast method is based on a calibrated phase correction scheme that requires no input data. Phase correction, in which an appropriate phase angle can be determined experimentally, is used for pre-processing the raw interferograms of FTIR and NMR spectroscopy (in the latter case the interferogram is usually referred to as "free induced decay, FID"). The method of this aspect of the invention differs from previous phase correction schemes in that it considers mitigating factors such as Mie, RMie and other effects due to anomalous dispersion of the refractive index. It can be applied retrospectively to datasets.

본 발명의 이러한 측면의 사전 처리 방법은 역 FT 변환을 통해 손상된 스펙트럼을 푸리에 공간으로 변환시킨다. 상기 역 FT는 실수 및 허수 인터페로그램에서의 결과이다. 각 상기 인터페로그램의 하반기는 개별적으로 영-충전되고, 전방 FT 변환된다. 이 과정은 숫자 KK 변환을 통해 얻어진 동일한 분산 밴드 모양을 보이는 실수 스펙트럼 부분과 흡수 선 모양을 포함하는 허수 부분을 산출한다. 그들 간의 올바른 위상각 및 위상 보정과 함께 상기 실수 및 허수 부분을 재결합함으로써 인공 산물(artifact)이 없는 스펙트럼이 획득된다.The preprocessing method of this aspect of the invention transforms the damaged spectrum into Fourier space through inverse FT transform. The inverse FT is the result in real and imaginary interferograms. The second half of each said interferogram is individually zero-filled and forward FT transformed. This process yields the real part of the spectrum with the same dispersion band shape and the imaginary part including the absorption line shape obtained through the numerical KK transformation. By recombining the real and imaginary parts with the correct phase angle and phase correction between them, a spectrum free of artifacts is obtained.

오염된 스펙트럼의 보정이 요구되는 상기 위상은 실험적으로 결정할 수 없고, 스펙트럼마다 다르기 때문에, 위상각은 사용자 선택 단계에서 -90도 및 90도 사이의 단계적 방식을 이용하여 결정된다. "최적" 스펙트럼은 위상 보정 시 달라지는 피크 위치 및 강도 기준의 분석에 의해 결정된다. 광범위한 높낮이가 있는 미 산란 기여(Mie scattering contributions)는 명백한 이 방식에 대해 명시적으로 보정되지 않고, 그것들은 두 번째 파생 스펙트럼 상의 위상 보정 계산을 수행함으로써 사라지며, 이는 미-분산 배경을 나타낸다.Since the phase for which correction of the contaminated spectrum is required cannot be determined experimentally and varies from spectrum to spectrum, the phase angle is determined using a stepwise manner between -90 degrees and 90 degrees in the user selection step. The "optimal" spectrum is determined by analysis of the peak position and intensity criteria that vary during phase correction. Mie scattering contributions with a wide range of elevations are not explicitly corrected for this apparent method, and they disappear by performing phase correction calculations on the second derivative spectrum, which represents a non-dispersed background.

본 발명의 측면에 따르면, 도 4의 상기 사전 처리 단계(402)는 도 5의 순서도에 나타난 바와 같이 상기 스펙트럼 범위를 선택하는 단계(501), 상기 스펙트럼의 2차 파생물을 계산하는 단계(502), 상기 데이터의 역 푸리에 변환 단계(503), 상기 인터페로그램의 영-충전 및 전방 푸리에 변환 단계(504) 및 상기 스펙트럼의 실수 및 허수 부분 결과의 위상을 보정하는 단계(505)를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, the preprocessing step 402 of FIG. 4 includes selecting the spectral range 501 as shown in the flow chart of FIG. 5, and calculating 502 a secondary derivative of the spectrum. An inverse Fourier transform step 503 of the data, a zero-fill and forward Fourier transform step 504 of the interferogram, and a step 505 of correcting the phase of the real and imaginary part results of the spectrum. have.

스펙트럼 범위Spectral range

501 단계에서, 초분광 데이터세트의 각 스펙트럼은 가장 적절한 스펙트럼 범위(지문 영역)를 선택하기 위해 사전 처리된다. 예를 들어 이 범위는 약 800 내지 약 1800㎝-1 일 수 있으며, 이는 늘어나는 무거운 원자뿐만 아니라 X-H(X: 원자 번호가 12보다 큰 무거운 원자) 변형 모드(deformation modes)를 포함한다. 선형 배경에 겹친 전형적인 스펙트럼의 예시가 도 6A에 보여진다.In step 501, each spectrum of the hyperspectral dataset is preprocessed to select the most appropriate spectral range (fingerprint region). For example, this range can be from about 800 to about 1800 cm −1 , which includes XH (X: heavy atom with atomic number greater than 12) deformation modes as well as elongated heavy atoms. An example of a typical spectrum superimposed on a linear background is shown in FIG. 6A.

스펙트럼의 2차 2nd order of the spectrum 파생물derivative

각 스펙트럼의 상기 2차 파생물은 이후 도 5의 순서도의 502 단계에서 계산된다. 2차 파생 스펙트럼은 강도 대 파상수의 2차 미분에 의해 원래의 스펙트럼 벡터로부터 파생된다. 2차 파생 스펙트럼은 Savitzky-Golay sliding window 알고리즘을 이용해 계산될 수 있으며, 적절하게 잘린 2차 함수에 의해 인터페로그램을 곱함으로써 푸리에 공간에서 계산될 수도 있다.The secondary derivative of each spectrum is then calculated at step 502 of the flowchart of FIG. 5. The second derivative spectrum is derived from the original spectral vector by the second derivative of the intensity versus wave constant. Second-order derivative spectra can be calculated using the Savitzky-Golay sliding window algorithm, or they can be calculated in Fourier space by multiplying the interferogram by a properly truncated quadratic function.

2차 파생 스펙트럼은 베이스라인 경사에 구애받지 않는 이점을 가질 수 있으며, 천천히 변화하는 미 산란 배경을 포함한다. 상기 2차 파생 스펙트럼은 산란 및 비-공진(non-resonant) 미 산란으로 인해 베이스라인 효과가 거의 완전히 결여될 수 있으나, 여전히 RMieS 효과를 포함한다. 원하는 경우 상기 2차 파생 스펙트럼은 샘플 두께의 변화를 보상하기 위해 벡터 정규화(vertor normalize)될 수 있다. 2차 파생 스펙트럼의 예시가 도 6B에 보여진다.Secondary derivative spectra can have the advantage of being independent of the baseline slope and include a slowly changing unscattered background. The secondary derivative spectra may almost completely lack baseline effects due to scattering and non-resonant non-scattering, but still include the RMieS effect. If desired, the secondary derivative spectrum can be vector normalized to compensate for changes in sample thickness. An example of the secondary derivative spectrum is shown in FIG. 6B.

역 푸리에 변환Inverse Fourier Transform

도 5의 순서도의 503 단계에서, 데이터 세트의 각 스펙트럼은 역 푸리에 변환(FT)된다. 역 FT는 강도 대 파상수 도메인으로부터 강도 대 위상차 도메인으로의 스펙트럼 전환을 의미한다. FT 루틴은 정수의 제곱 길이의 스펙트럼 벡터와만 기능하기 때문에, 스펙트럼은 FT 전 512, 1024 또는 2048(NFT) 데이터 포인트 길이로 보간되거나 잘린다. 역 FT는 NFT/2 포인트의 실수(RE) 및 허수(IM) 인터페로그램을 산출한다. 이러한 인터페로그램의 실수부 부분이 도 7에 보여진다.In step 503 of the flowchart of FIG. 5, each spectrum of the data set is inverse Fourier transformed (FT). Inverse FT means the spectral shift from the intensity versus wave domain to the intensity versus phase domain. Since the FT routines only function with spectral vectors of integer square lengths, the spectra are interpolated or truncated to 512, 1024, or 2048 (NFT) data point lengths before the FT. The inverse FT yields the real (RE) and imaginary (IM) interferograms of the NFT / 2 points. The real part of this interferogram is shown in FIG.

영-충전 및 전방 푸리에 변환Zero-Fill and Forward Fourier Transform

각 스펙트럼에 대한 상기 실수 및 허수 인터페로그램 모두의 하반기는 이후 504 단계에서 영-충전된다. 이러한 영-충전된 인터페로그램은 이후 각각 분산 및 흡수 밴드 모양으로 실수 및 허수 스펙트럼 요소를 산출하기 위해 전방 푸리에 변환된다.The second half of both the real and imaginary interferograms for each spectrum are then zero-filled in step 504. These zero-filled interferograms are then transformed forward Fourier to yield real and imaginary spectral components in the form of dispersion and absorption bands, respectively.

위상 보정Phase correction

푸리에 분석으로 인한 상기 실수(RE) 및 허수(IM) 부분은 이후 도 5의 순서도의 505 단계에서 보이는 바와 같이, 위상 보정된다. 이는 아래의 공식에 명시된 바와 같이, 위상 이동된 실수(RE') 및 허수(IM')를 산출한다.The real (RE) and imaginary (IM) portions resulting from Fourier analysis are then phase corrected, as shown in step 505 of the flowchart of FIG. 5. This yields phase shifted real RE 'and imaginary number IM', as specified in the formula below.

Figure pct00001
Figure pct00001

상기 φ는 위상각이다.Is the phase angle.

상기 위상 보정을 위한 위상각 φ는 알 수 없기 때문에, 상기 위상각은 사용자 정의 단위에서 -Π/2 < φ < Π/2 로 가변될 수 있고, 최소 잔류 분산 선 모양의 스펙트럼이 선택될 수 있다. 위상 보정 후 최대 강도를 생성하는 상기 위상각은 도 8에 보이는 바와 같이, 손상되지 않은 스펙트럼으로 간주될 수 있다. 화살표로 표시되고 "원본 스펙트럼"으로 지칭된 두꺼운 기록은 RMieS 기여에 의해 오염되는 스펙트럼이다. 얇은 기록은 다양한 위상각으로 위상 보정 시 스펙트럼이 어떻게 변하는지를 보여준다. 2번째로 두꺼운 기록은 복구된 스펙트럼이며, 이는 상기 오염되지 않은 스펙트럼과 상당히 일치한다. 도 8에서 나타내는 바와 같이, 상기 최적의 보정된 스펙트럼은 약 1655㎝-1에서 가장 높은 아미드 I 강도를 보인다. 이 피크 위치는 상기 스펙트럼이 오염되기 전의 위치와 일치한다.Since the phase angle φ for the phase correction is unknown, the phase angle can be varied from -π / 2 <φ <π / 2 in a user defined unit, and a minimum residual scattering line spectrum can be selected. . The phase angle that produces the maximum intensity after phase correction can be considered an intact spectrum, as shown in FIG. 8. The thick record, indicated by the arrow and called the “original spectrum”, is the spectrum that is contaminated by the RMieS contribution. Thin records show how the spectrum changes during phase correction with various phase angles. The second thick record is the recovered spectrum, which is in good agreement with the unpolluted spectrum. As shown in FIG. 8, the optimal calibrated spectrum shows the highest amide I strength at about 1655 cm −1 . This peak position coincides with the position before the spectrum is contaminated.

501 - 505 단계에서 설명된 본 발명의 측면에 따른 상기 위상 보정 방법은 흡수 및 파생 스펙트럼 모두에 잘 기능한다. 심지어 이 방식은 만일 도 9A에 개략적으로 보이는 바와 같이 베이스라인 경사를 모방하는 산란 효과에 의해 흡수 스펙트럼이 오염되는 경우에 도 9B에서 보이듯이 상기 전방 FT의 허수 부분이 스펙트럼 경계에서 강한 곡선 효과를 보이고, 이는 그 결과로 보정된 스펙트럼이 오염된다는 점에서 흡수 스펙트럼이 사용될 경우에 발생할 수 있는 문제도 해결한다. 상기 파생물은 경사진 배경을 제거하기 때문에 2차 파생 스펙트럼의 사용은 이러한 효과를 제거할 수 있고, 따라서 인공 산물이 없는 스펙트럼이 획득될 수 있다. 위계적 군집 분석 또는 다른 적절한 분류나 진단 알고리즘에 의한 스펙트럼 데이터-세트의 뒤이은 분석은 어쨌든 2차 파생 스펙트럼 상에서 수행되기 때문에, 마찬가지로 2차 파생 스펙트럼 상의 분산 보정의 수행은 바람직하다. 2차 파생 스펙트럼은 스펙트럼 피크 신호의 반전을 보인다. 따라서, 상기 위상각은 가장 큰 음의 강도의 발생이 추구된다. 이 방식의 값은 인위적으로 오염된 스펙트럼으로부터 보여질 수 있다: 반사 요소로 인한 오염은 항상 그 강도를 감소시킬 수 있기 때문에 상기 오염되지 않거나 "보정된" 스펙트럼은 1650 및 1660㎝- 1사이의 아미드 I 밴드에서 가장 큰 (음의) 밴드 강도를 가진 것이 될 것이다.The phase correction method according to aspects of the invention described in steps 501-505 works well for both absorption and derived spectra. Even this approach shows that if the absorption spectrum is contaminated by scattering effects that mimic the baseline slope, as shown schematically in Figure 9A, the imaginary part of the front FT shows a strong curve effect at the spectral boundary, as shown in Figure 9B. This also solves the problems that can arise when the absorption spectrum is used in that the corrected spectrum is contaminated. The use of a second derivative spectrum can eliminate this effect because the derivative eliminates the inclined background, and thus a spectrum free of artifacts can be obtained. Since subsequent analysis of spectral data-sets by hierarchical cluster analysis or other appropriate classification or diagnostic algorithm is performed on the secondary derivative spectrum anyway, it is likewise desirable to perform variance correction on the secondary derivative spectrum. Secondary derivative spectra show the inversion of the spectral peak signal. Thus, the phase angle is pursued to generate the largest negative intensity. The value of this approach can be seen from the artificially contaminated with Spectrum: pollution caused by the reflective element is always or not the contamination because it is possible to reduce the intensity "corrected" spectrum 1650 and 1660㎝ - amide between 1 It will have the largest (negative) band strength in the I band.

예 1 - 위상 보정 알고리즘의 작업Example 1-Working with a Phase Correction Algorithm

상기 위상 보정 알고리즘 작업의 예시는 도 10 및 11에 제공된다. 이 예시는 인간의 림프절 조직 부분으로부터 수집된 데이터세트 상에 기반한다. 도 10A의 검정 화살표에 의해 보이는 상기 림프절은 막낭에서 유방암 미세전이가 확인된다. 이 미세 사진은 암 영역에서 구별되는 세포 핵뿐만 아니라 활성화된 림프구 지역의 고 세포질을 보여주며, 회색 화살표에 의해 나타난다. 이러한 샘플 이질성은 모두 큰 RMieS 효과에 기여한다.Examples of such phase correction algorithm operation are provided in FIGS. 10 and 11. This example is based on a dataset collected from human lymph node tissue parts. The lymph nodes shown by the black arrows in FIG. 10A have confirmed breast cancer micrometastasis in the meninges. This micrograph shows the high cytoplasm of activated lymphocyte regions, as well as the cell nuclei that distinguish in the cancerous region, and is represented by gray arrows. All of these sample heterogeneities contribute to large RMieS effects.

위계적 군집 분석(HCA)에 의한 데이터 세분화가 이 예시 림프절 부분에서 먼저 수행되었을 때, 도 10B에 보여지는 상기 이미지가 얻어진다. 막낭(적색) 및 림프구(나머지 색)로부터 상기 암 조직(어두운 녹색 및 황색)을 구분하기 위해 10 군집(clusters)이 필요하며, 이러한 조직 유형의 구분은 좋지 못하다. 도 10B에서, 붉은색으로 표시된 상기 막낭은 하나 이상의 스펙트럼 클래스를 포함하며, 이는 1 군집으로 결합된다.When data segmentation by hierarchical clustering analysis (HCA) was first performed on this exemplary lymph node portion, the image shown in FIG. 10B is obtained. Ten clusters are required to distinguish the cancerous tissue (dark green and yellow) from the mesothelial sac (red) and lymphocytes (the rest of the color), and the distinction of these tissue types is poor. In FIG. 10B, the capsular bag, shown in red, contains one or more spectral classes, which are combined into one cluster.

이 데이터세트 분류의 어려움은 도 10C의 검사에 의해 측정될 수 있다. 이 도면은 각 스펙트럼의 아미드 I 진동 밴드(amide I vibrational band)의 피크 주파수를 도시한다. 도면 우측의 색상 스케일은 상기 피크가 림프절 본체의 약 1630과 1665㎝- 1사이, 막낭의 1635와 1665㎝-1사이에서 발생한 것을 나타낸다. 단백질 2차 구조에 따라 펩티드와 단백질에 대한 상기 아미드 I 주파수가 1650에서 1660㎝-1 영역에서 발생하는 것이 잘 알려져 있기 때문에, 상기 아미드 I 주파수의 확산은 RMieS 효과에 의해 크게 오염된 데이터세트에 대해 일반적이다. 도 10D는 RMieS 보정 기반의 위상-보정 후 동일한 조직 부분의 이미지를 보여준다. 상기 림프절 본체 내 아미드 I 피크의 주파수 편차는 1650에서 1654㎝-1의 범위로, 막낭에 대해서는 1657에서 1665㎝-1(막낭의 섬유-연결 단백질(fibro-connective proteins)은 주로 고 아미드 I 밴드 위치를 보이는 것으로 알려진 단백질인 콜라겐으로 구성되는 것이 알려졌다)의 범위로 감소되었다.The difficulty of classifying this dataset can be measured by the inspection of FIG. 10C. This figure shows the peak frequency of the amide I vibrational band of each spectrum. Color scale of the drawing is the right side peak is about 1630 and the lymph nodes 1665㎝ body - indicating that occurred between the between the first, the capsule 1635 and 1665㎝ -1. Since it is well known that the amide I frequency for peptides and proteins occurs in the region of 1650 to 1660 cm −1 depending on the protein secondary structure, the diffusion of the amide I frequency is due to the dataset significantly contaminated by the RMieS effect. It is common. 10D shows an image of the same tissue part after phase-correction based on RMieS correction. The frequency deviation of the amide I peak in the lymph node body ranges from 1650 to 1654 cm −1 , and for the capsular bag, 1657 to 1665 cm −1 (fibro-connective proteins in the membrane capsule are mainly in the high amide I band position). It is known that it is composed of collagen, a protein known to show a).

이후 HCA의 결과가 도 11에 보여진다. 도 11A에서, 암 조직은 적색으로 표시된다; 도 11B(이 도면은 10A와 동일하다)에 보여지는 상기 암 영역의 윤곽은 H&E-기반 조직병리학과 잘 일치한다. 상기 막낭은 밝은 녹색으로 표시된 활성화된 B-림프구가 있는 두 개의 서로 다른 조직 클래스(밝은 청색 및 보라색)로 나타난다. 조직구(histiocytes) 및 T-림프구는 어두운 녹색, 회색 및 청색 영역으로 보여진다. 도 11A에 도시된 상기 영역은 시각적 조직병리학과 잘 일치하며, 여기 논의된 상기 위상 보정 방법은 스펙트럼 조직병리학 방법의 상당한 품질 향상을 나타낸다.The results of the HCA are then shown in FIG. 11. In FIG. 11A, cancerous tissue is shown in red; The contour of the cancerous region shown in FIG. 11B (this figure is the same as 10A) is in good agreement with H & E-based histopathology. The meninges appear in two different tissue classes (light blue and purple) with activated B-lymphocytes shown in bright green. Histiocytes and T-lymphocytes are shown as dark green, gray and blue areas. The region shown in FIG. 11A is in good agreement with visual histopathology, and the phase correction method discussed herein represents a significant quality improvement of the spectral histopathology method.

종래의 스펙트럼 보정 방법 이상으로 본 발명의 측면에 따른 상기 사전 처리의 이점은 상기 방법이 약 5000스펙트럼/초의 빠른 수행 시간을 제공하는 점 및 데이터세트 상의 사전 정보가 요구되지 않는 점을 포함한다. 또한, 상기 위상 보정 알고리즘은 자동 암 감지 및 SCP와 SHP의 진단에 관한 스펙트럼 이미징 및 "디지털 착색" 진단 루틴에 통합될 수 있다. 게다가, 위상 보정은 상기 이미지의 품질을 크게 향상시키며, 이는 이미지 등록 정확성 및 진단 정렬 그리고 경계 표현에 도움이 된다.Advantages of the preprocessing according to aspects of the present invention over conventional spectral correction methods include that the method provides a fast execution time of about 5000 spectra / second and that no prior information on the dataset is required. The phase correction algorithm can also be integrated into spectral imaging and "digital staining" diagnostic routines for automatic cancer detection and diagnosis of SCP and SHP. In addition, phase correction greatly improves the quality of the image, which aids in image registration accuracy and diagnostic alignment and boundary representation.

또한, 본 발명의 측면에 따른 상기 사전 처리 방법은 반사 요소에 의해 오염된 흡수 스펙트럼의 넓은 범위를 보정하는데 사용될 수 있다. 이러한 오염은 분산 선 모양으로 왜곡되는 밴드 모양, 확산 반사율 푸리에 변환 분광법(DRIFTS), 감쇠 전반사(Attenuated Total Reflection: ATR) 및 복합 굴절률의 실수와 허수 부분의 혼합 또는 유전 감수율(dielectric susceptibility)의 다른 형태의 분광법과 같은 다른 유형의 분광법에서 자주 발생하며, 가간섭성 반 스토크스 라만 분광법(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy: CARS)으로 표시될 수 있는 것과 같이 상당 정도로 발생한다.In addition, the pretreatment method according to aspects of the present invention can be used to correct a wide range of absorption spectra contaminated by reflective elements. These contaminations are distorted band shapes, diffuse reflectance Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS), Attenuated Total Reflection (ATR), and other forms of mixing or dielectric susceptibility of real and imaginary parts of complex refractive indices. It occurs frequently in other types of spectroscopy, such as the spectroscopy of, and to a considerable extent as can be represented by Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS).

다변량 분석Multivariate analysis

도 4의 순서도의 403 단계에서 설명한대로, 다변량 분석은 스펙트럼의 차이를 감지할 수 있도록 상기 사전 처리된 스펙트럼 데이터 상에서 수행될 수 있다. 특정 다변량 분석에서, 스펙트럼은 유사성(similarity)을 기반으로 함께 그룹화된다. 상기 그룹의 수는 주어진 생물 샘플에 요구되는 차별화(differentiation)의 수준에 따라 선택될 수 있다. 일반적으로, 상기 그룹의 수가 더 커질수록 상기 스펙트럼 이미지의 세부사항은 더욱 분명해질 것이다. 적은 세부사항이 요구되는 경우에는 보다 적은 수의 그룹이 이용될 수 있다. 본 발명의 측면에 따르면, 사용자는 원하는 스펙트럼 차별화의 수준을 위해 그룹의 수를 조정할 수 있다.As described in step 403 of the flowchart of FIG. 4, multivariate analysis may be performed on the preprocessed spectral data to detect spectral differences. In certain multivariate analyzes, the spectra are grouped together based on similarity. The number of groups can be selected according to the level of differentiation required for a given biological sample. In general, the greater the number of groups, the more evident the details of the spectral image will be. If fewer details are required, fewer groups may be used. According to aspects of the present invention, the user can adjust the number of groups for the desired level of spectral differentiation.

예를 들면, HCA 및 주성분 분석(principal component analysis)과 같은 무감독 방법(unsupervised methods), 인공 신경망(artificial neural networks: ANNs), 계층형 인공 신경망(hierarchical artificial neural networks: hANN), 지원 벡터 기계(support vector machines: SVM) 및/또는 "랜덤 포레스트(random forest)" 알고리즘을 포함하나 이에 국한되지 않는 기계 학습 알고리즘(machine learning algorithms)과 같은 감독 방법(supervised methods)이 사용될 수 있다. 무감독 방법은 각각 데이터세트의 유사성 또는 차이, 그리고 이러한 기준에 의한 데이터세트 부분 또는 군집에 근거하며, 분할(segmentation) 또는 군집화(clustering)에 대한 데이터세트를 제외하고 어떠한 정보도 요구하지 않는다. 따라서, 이러한 무감독 방법은 데이터세트의 자연 유사성 또는 비유사성(차이)에 기인한 이미지를 생성한다. 반면, 감독 알고리즘은 예를 들어 암, 근육 또는 뼈를 나타내는 스펙트럼과 같은 참조 스펙트럼이 필요하며, 이러한 참조 스펙트럼의 특정 유사성 기준에 따라 데이터세트를 분류한다.For example, unsupervised methods such as HCA and principal component analysis, artificial neural networks (ANNs), hierarchical artificial neural networks (hANN), support vector machines ( Supervised methods such as, but not limited to, support vector machines (SVM) and / or “random forest” algorithms can be used. The unsupervised method is based on the similarity or difference of the datasets, respectively, and the dataset portion or clustering by these criteria, and does not require any information except for datasets for segmentation or clustering. Thus, this non-supervised method produces an image due to the natural similarity or dissimilarity (difference) of the dataset. On the other hand, supervised algorithms require a reference spectrum, such as, for example, a spectrum representing cancer, muscle, or bone, and classify the dataset according to certain similarity criteria of this reference spectrum.

HCA 기술은 Bird에 공개되며(Bird 외, "Spectral detection of micro-metastates in lymph node histo-pathology", J.Biophoton. 2, No. 1-2, 37-46(2009)), 이는 여기에 전체적으로 통합된다. PCA는 WO 2009/146425에 공개되고, 이는 참조에 의해 여기에 전체적으로 통합된다.HCA technology is disclosed in Bird (Bird et al., "Spectral detection of micro-metastates in lymph node histo-pathology", J. Biophoton. 2, No. 1-2, 37-46 (2009)) Are integrated. PCA is published in WO 2009/146425, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

본 발명의 측면에 따른 사용에 대한 감독 방법의 예시는 Lasch 외 "Artificial neural networks as supervised techniques for FT-IR microspectroscopic imaging" J. Chemometrics 2006 (이하 "Lasch"); 20: 209-220, M. Miljkovic 외 "Label-free imaging of human cells: algorithms for image reconstruction of Raman hyperspectral datasets" (이하 "Miljkovic"), Analyst, 2010, x, 1-13 및 A. Dupuy 외 "Critical Review of Published Microarray Studies for Cancer Outcome and Guidelines on Statistical Analysis and Reporting", JNCI, Vol. 99, Issue 2 | January 17, 2007 (이하 "Dupuy")에서 찾을 수 있으며, 이는 각각 참조에 의해 여기에 전체적으로 통합된다.Examples of supervision methods for use in accordance with aspects of the present invention include Lasch et al. "Artificial neural networks as supervised techniques for FT-IR microspectroscopic imaging" J. Chemometrics 2006 (hereinafter "Lasch"); 20: 209-220, M. Miljkovic et al. "Label-free imaging of human cells: algorithms for image reconstruction of Raman hyperspectral datasets" ("Miljkovic"), Analyst, 2010, x, 1-13 and A. Dupuy et al. " Critical Review of Published Microarray Studies for Cancer Outcome and Guidelines on Statistical Analysis and Reporting ", JNCI, Vol. 99, Issue 2 | January 17, 2007 ("Dupuy"), each of which is hereby incorporated by reference in its entirety.

그레이스케일 또는 의사-색채 스펙트럼 이미지Grayscale or pseudo-color spectrum image

상기 다변량 분석으로부터 유사하게 그룹화된 데이터는 동일한 색채 코드로 할당될 수 있다. 도 4의 순서도의 404단계에서 명시된 바와 같이, 상기 그룹화된 데이터는 "디지털 착색" 그레이스케일 또는 의사-색채 맵(pseudo-color maps)의 구축에 사용될 수 있다. 따라서, 이 방법은 단독 또는 주로 스펙트럼 데이터에 포함된 화학 정보에 기반하는 생물 샘플의 이미지를 제공할 수 있다.Similarly grouped data from the multivariate analysis can be assigned the same color code. As indicated at step 404 of the flowchart of FIG. 4, the grouped data can be used to construct "digital colored" grayscale or pseudo-color maps. Thus, the method can provide images of biological samples based solely or primarily on chemical information contained in the spectral data.

HCA에 의한 다변량 분석 후에 준비된 스펙트럼 이미지의 예시는 도 12A 및 12B에 제공된다. 도 12A는 0.5㎜ x 1㎜에 대해 측정된 착색된 자궁 경부 이미지 부분의 시각적 미세 이미지이다. 편평 상피(squamous epithelium)의 전형적인 층이 나타난다. 도 12B는 상기 조직의 착색 전 HCA에 의한 다변량 분석 후 구축된 의사-색채 적외선 스펙트럼 이미지이다. 이 이미지는 상기 데이터세트 내 스펙트럼 간의 수학적 상호연관(correlating)에 의해 생성되며, 전적으로 스펙트럼 유사성을 기반으로 한다; 참조 스펙트럼은 컴퓨터 알고리즘에 제공되지 않는다. 도 12B에 보여지는 바와 같이, HCA 스펙트럼 이미지는 도 12A에 표시된 것과 같은 표준 현미경을 이용한 적절한 착색(예를 들어, H&E 착색) 후에 볼 수 있는 상기 조직 구조를 재생할 수 있다. 또한, 도 12B는 도 12A에서 쉽게 감지될 수 없는 기능을 보여주며, 이는 (a)에서의 케라틴 층(deposits of keratin) 및 (b)에의 면역 세포에 의한 침투를 포함한다.Examples of spectral images prepared after multivariate analysis by HCA are provided in FIGS. 12A and 12B. 12A is a visual microscopic image of the colored cervical image portion measured for 0.5 mm x 1 mm. Typical layers of squamous epithelium appear. 12B is a pseudo-color infrared spectral image constructed after multivariate analysis by HCA before staining of the tissue. This image is generated by mathematical correlation between spectra in the dataset and is based entirely on spectral similarity; Reference spectra are not provided to computer algorithms. As shown in FIG. 12B, the HCA spectral image can reproduce the tissue structure visible after proper staining (eg, H & E staining) using a standard microscope such as that shown in FIG. 12A. In addition, FIG. 12B shows a function not readily detectable in FIG. 12A, which includes infiltration by immune cells into the deposits of keratin in (a) and (b).

HCA 분석에 의한 의사-색채 스펙트럼 이미지의 구축은 Bird에 논의된다.The construction of pseudo-color spectral images by HCA analysis is discussed in Bird.

ANN에 의한 분석 후 준비된 스펙트럼 이미지의 예시가 도 13A 및 13B에 제공된다. 도 13A는 H&E-착색된 겨드랑이 림프절 부분의 시각적 미세 이미지이다. 도 13B는 도 13A의 상기 조직이 착색되기 이전에 수집된 적외선 데이터세트의 ANN 분석으로부터 생성된 적외선 스펙트럼 이미지이다.Examples of spectral images prepared after analysis by ANN are provided in FIGS. 13A and 13B. 13A is a visual microscopic image of H & E-colored axillary lymph node portion. FIG. 13B is an infrared spectral image generated from ANN analysis of an infrared dataset collected before the tissue of FIG. 13A is colored.

시각적 이미지Visual image

도 3의 303 단계에 의해 나타나는 바와 같이, 302 단계에서 얻어지는 동일한 생물 부분의 시각적 이미지가 획득될 수 있다. 위에 설명된 301 단계의 슬라이드에 적용되는 상기 생물 샘플은 착색되지 않거나 하나 이상의 H&E 및/또는 IHC 착색에 의한 것과 같이 표준 조직병리학에서 이용되는 잘 알려진 적절한 방법에 의해 착색될 수 있고, 커버슬립(coverslip)될 수도 있다. 시각적 이미지의 예시가 도 12A 및 13A에 보여진다.As represented by step 303 of FIG. 3, a visual image of the same biological part obtained in step 302 may be obtained. The biological sample applied to the slide of step 301 described above may be unstained or colored by well-known and suitable methods used in standard histopathology, such as by one or more H & E and / or IHC staining, and coverslips May be applied. Examples of visual images are shown in FIGS. 12A and 13A.

조직병리학적 샘플의 시각적 이미지는 병리학 실험실에서 통상적으로 사용되는 것과 같은 표준 시각적 현미경을 이용해 얻어질 수 있다. 상기 현미경은 디지털 현미경의 시야를 캡쳐하는 고해상도 디지털 카메라에 연결될 수 있다. 이러한 실시간 디지털 이미지는 착색된 조직의 표준 현미경 관점을 기반으로 하며, 조직 구조, 세포 형태(cell morphology) 및 착색 패턴을 나타내는 것이다. 예를 들어, 사진의 생성을 위해 상기 디지털 이미지는 이미지 스티칭을 통해 결합되는 많은 픽셀 타일을 포함할 수 있다. 본 발명의 측면에 따르면, 분석에 사용되는 상기 디지털 이미지는 사진에 스티치되어 결합되는 개별 타일 또는 여러 타일을 포함할 수 있다. 이 디지털 이미지는 컴퓨터 스크린 상에 저장되고 표시될 수 있다.Visual images of histopathological samples can be obtained using standard visual microscopes such as those commonly used in pathology laboratories. The microscope can be connected to a high resolution digital camera that captures the field of view of the digital microscope. This real-time digital image is based on standard microscopic perspectives of colored tissue and represents tissue structure, cell morphology and pigmentation patterns. For example, the digital image may include many pixel tiles that are combined via image stitching for the generation of a photo. According to an aspect of the invention, the digital image used for analysis may comprise individual tiles or several tiles that are stitched and combined into a photograph. This digital image can be stored and displayed on a computer screen.

스펙트럼 및 시각적 이미지의 등록Registration of spectral and visual images

본 발명의 측면에 따른 하나의 방법에 의하면, 도 3의 순서도의 304 단계에 나타나는 바와 같이, 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지가 획득된 후, 착색된 조직의 상기 시각적 이미지는 디지털 착색된 그레이스케일 또는 의사-색채 스펙트럼 이미지로 등록될 수 있다. 일반적으로, 이미지 등록은 하나의 좌표 시스템에서 상이한 데이터 세트를 변환 또는 매칭시키는 과정이다. 이미지 등록은 두 번째 이미지와 정렬하도록 첫 번째 이미지를 공간적 매칭 또는 변환시키는 것을 포함한다. 상기 이미지는 다른 유형의 데이터를 포함할 수 있으며, 이미지 등록은 다른 유형의 데이터를 매칭 또는 변환시키도록 할 수 있다.According to one method according to an aspect of the present invention, as shown in step 304 of the flowchart of FIG. 3, after the spectral and visual images are acquired, the visual image of the colored tissue is digitally colored grayscale or pseudo- It can be registered as a color spectrum image. In general, image registration is the process of transforming or matching different data sets in one coordinate system. Image registration involves spatially matching or transforming the first image to align with the second image. The image may include other types of data, and image registration may allow for matching or converting other types of data.

본 발명의 측면에 따르면, 이미지 등록은 여러 가지 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 일반적인 좌표 시스템은 상기 시각적 및 스펙트럼 이미지에 대해 확립될 수 있다. 일반적인 좌표 시스템을 확립하는 것이 불가능하거나 원하지 않는 경우, 상기 이미지는 다른 이미지와 정렬하도록 이미지를 가져오기 위한 포인트 매핑에 의해 등록될 수 있다. 포인트 매핑에서, 이미지 내 동일한 특징 또는 랜드마크를 식별하는 양 이미지 상의 컨트롤 포인트가 선택된다. 컨트롤 포인트의 위치에 따라, 두 이미지의 공간적 매핑이 수행될 수 있다. 예를 들어, 적어도 두 개의 컨트롤 포인트가 사용될 수 있다. 상기 이미지를 등록하기 위해, 가시 이미지의 상기 컨트롤 포인트는 스펙트럼 이미지와 대응하는 컨트롤 포인트와 연관될 수 있고, 함께 정렬될 수 있다.According to an aspect of the present invention, image registration may be performed in various ways. For example, a general coordinate system can be established for the visual and spectral images. If it is impossible or undesirable to establish a general coordinate system, the image can be registered by point mapping to import the image to align with another image. In point mapping, control points on both images are selected that identify the same feature or landmark in the image. Depending on the location of the control point, spatial mapping of the two images may be performed. For example, at least two control points can be used. In order to register the image, the control points of the visible image can be associated with control points corresponding to the spectral image and aligned together.

본 발명의 측면에 따른 하나의 변화에서, 컨트롤 포인트는 상기 생물 표본을 포함하는 슬라이드 상에 참조 부호(reference marks)를 배치함으로써 선택될 수 있다. 참조 부호는 잉크, 페인트 및 폴리에틸렌을 포함하나 이에 국한되지 않는 물질의 일부를 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 상기 참조 부호는 적절한 모양 또는 사이즈를 가질 수 있으며, 그것들이 시야에 있는 한 중앙 부분, 에지 또는 측면 모퉁이에 위치할 수 있다. 상기 생물 표본이 준비되는 동안 상기 참조 부호는 슬라이드에 추가될 수 있다. 만약 폴리에틸렌과 같은 화학 물질 및 생물학적 물질을 포함하나 이에 국한되지 않는 스펙트럼 패턴이 알려진 물질이 참조 부호에 사용된다면, 상기 생물 표본의 스펙트럼 데이터의 정확도를 확인하기 위한 교정 부호(calibration mark)로도 사용될 수 있다.In one variation according to aspects of the present invention, the control point may be selected by placing reference marks on the slide containing the biological specimen. Reference numerals may include, but are not limited to, portions of materials including, but not limited to, inks, paints, and polyethylene. The reference numerals may have a suitable shape or size and may be located at the central portion, edge or side corner as long as they are in view. The reference sign can be added to the slide while the biological sample is being prepared. If spectral patterns, including but not limited to chemicals such as polyethylene and known biological substances, are used in the reference numerals, they may also be used as calibration marks to confirm the accuracy of the spectral data of the biological specimen. .

본 발명의 측면에 따른 다른 변화에서, 병리학자와 같은 사용자는 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지의 컨트롤 포인트를 선택할 수 있다. 상기 사용자는 에지 및 경계를 포함하나 이에 국한되지 않는 그들의 시각적 또는 스펙트럼 이미지의 구별 기능에 대한 지식을 바탕으로 컨트롤 포인트를 선택할 수 있다. 세포 및 조직과 같은 생물 이미지에 대한 컨트롤 포인트는 상기 이미지의 생물학적 특징으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 이러한 생물학적 특징은 세포 무더기(clumps of cells), 유사 분열 특징(mitotic features), 세포의 코드나 네스트(cords or nests of cells), 폐포(alveolar)와 기관지(bronchi)와 같은 샘플 공극(sample voids) 및 불규칙한 샘플 에지(irregular sample edges)를 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 상기 사용자의 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지에서 컨트롤 포인트의 선택은 개인 및/또는 사용자 정의(customized) 사용에 대한 상관관계의 훈련을 제공하기 위해 사용되는 저장소에 저장될 수 있다. 이 방식은 주관적인 모범 사례가 컨트롤 포인트 선택 과정에 통합되도록 한다.In another variation according to aspects of the present invention, a user, such as a pathologist, can select control points of the spectral and visual images. The user can select a control point based on his or her knowledge of the distinction of their visual or spectral image, including but not limited to edges and boundaries. Control points for biological images such as cells and tissues can be selected from biological features of the images. For example, these biological features may include clumps of cells, mitotic features, sample pores such as cords or nests of cells, alveolars, and bronchi. (sample voids) and irregular sample edges may include, but are not limited to. The selection of control points in the spectrum and visual image of the user may be stored in a repository used to provide training of correlation for personal and / or customized use. This approach allows subjective best practices to be integrated into the control point selection process.

본 발명의 측면에 따른 다른 변화에서, 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지에서 구별 기능의 소프트웨어-기반 인식은 컨트롤 포인트의 선택을 위해 사용될 수 있다. 상기 소프트웨어는 적어도 하나의 시각적 또는 스펙트럼 이미지의 구별 기능과 대응하는 컨트롤 포인트를 발견할 수 있다. 예를 들면, 특정 군집 영역의 컨트롤 포인트는 상기 스펙트럼 이미지에서 선택될 수 있다. 상기 군집 패턴은 상기 시각적 이미지의 유사 특징을 식별하기 위해 사용될 수 있다. 두 이미지의 상기 특징은 변형, 회전 및 스케일링을 통해 정렬될 수 있다. 예를 들면, 변형, 회전 및 스케일링은 또한 기능 선택을 고른 후 관계나 모델 매핑 개발에 의해 자동화 또는 반자동화될 수 있다. 이러한 자동화 과정은 예를 들어 최적화 등록을 위해 이후 리샘플링 및 변환될 수 있는 매핑 관계의 근사치(approximation)를 제공할 수 있다. 리샘플링 기술은 최근방(nearest neighbor), 선형(linear) 및 큐빅 보간(cubic interpolation)을 포함하나 이에 국한되지 않는다.In another variation according to aspects of the present invention, software-based recognition of the discriminating function in the spectral and visual images may be used for the selection of control points. The software may find a control point corresponding to the distinguishing function of at least one visual or spectral image. For example, the control points of a particular clustered area can be selected from the spectral image. The cluster pattern can be used to identify similar features of the visual image. The features of the two images can be aligned through deformation, rotation and scaling. For example, deformation, rotation, and scaling can also be automated or semi-automated by choosing a function selection and then developing relationships or model mappings. This automated process can provide an approximation of the mapping relationship that can then be resampled and transformed, for example for optimization registration. Resampling techniques include, but are not limited to, nearest neighbors, linear, and cubic interpolation.

상기 컨트롤 포인트가 정렬되면, P1(x1, y1) 좌표를 갖는 상기 스펙트럼 이미지의 픽셀은 P2(x2, y2) 좌표를 갖는 시각적 이미지의 대응 픽셀과 정렬될 수 있다. 이 정렬 과정은 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지 내 픽셀의 전체 또는 선택된 부분에 적용될 수 있다. 일단 정렬되면, 각 스펙트럼 및 시각적 이미지 내의 상기 픽셀은 함께 등록될 수 있다. 이러한 등록 과정에 의해, 각 스펙트럼 및 시각적 이미지 내의 상기 픽셀은 대응하는 이미지 내의 픽셀과 디지털 연결될 수 있다. 본 발명의 측면에 따른 상기 방법은 동일한 생물 샘플이 분광적(spectroscopically)이고 시각적으로 테스트될 수 있도록 하기 때문에, 상기 시각적 및 스펙트럼 이미지는 정확히 등록될 수 있다.Once the control points are aligned, the pixels of the spectral image with P 1 (x 1 , y 1 ) coordinates can be aligned with the corresponding pixels of the visual image with P 2 (x 2 , y 2 ) coordinates. This alignment process can be applied to all or selected portions of the pixels in the spectral and visual images. Once aligned, the pixels in each spectrum and visual image can be registered together. By this registration process, the pixel in each spectrum and visual image can be digitally connected with the pixel in the corresponding image. Since the method according to aspects of the invention allows the same biological sample to be spectroscopically and visually tested, the visual and spectral images can be registered accurately.

숫자 코드(numerical code), 바 코드(bar code)와 같은 식별 부호(identification mark)는 올바른 표본이 이용되고 있는지 확인하기 위해 상기 슬라이드에 추가될 수 있다. 상기 참조 및 식별 부호는 상기 생물 표본의 시각적 이미지를 표시하거나 저장하는 컴퓨터에 의해 인식될 수 있다. 이 컴퓨터는 이미지 등록에 사용하기 위한 소프트웨어를 포함할 수도 있다.Identification marks, such as numeric codes and bar codes, can be added to the slide to verify that the correct sample is being used. The reference and identification code may be recognized by a computer displaying or storing a visual image of the biological specimen. The computer may include software for use in image registration.

본 발명의 측면에 따른 이미지 등록의 예시는 도 14A-14C에 도시된다. 도 14A는 소세포성 폐암(small cell lung cancer) 조직 샘플의 시각적 이미지이고, 도 14B는 HCA를 받은 동일한 조직 샘플의 스펙트럼 이미지이다. 도 14B는 도 14A의 상기 시각적 이미지의 우측 상부 대부분의 스펙트럼 데이터를 포함한다. 도 14A의 상기 시각적 이미지가 도 14B의 스펙트럼 이미지와 등록되면, 그 결과가 도 14C에 보여진다. 도 14C에 보이는 바와 같이, 도 14B의 스펙트럼 이미지에서 쉽게 보이는 점과 윤곽 1-4를 포함하는 원형 부분은 도 14A의 미세 이미지에서 보이는 점과 윤곽에 밀접하게 부합한다.Examples of image registration according to aspects of the present invention are shown in Figures 14A-14C. 14A is a visual image of a small cell lung cancer tissue sample, and FIG. 14B is a spectral image of the same tissue sample that received HCA. FIG. 14B contains spectral data of the upper right most of the visual image of FIG. 14A. If the visual image of FIG. 14A is registered with the spectral image of FIG. 14B, the results are shown in FIG. 14C. As shown in FIG. 14C, the circular portion comprising points and contours 1-4 that are easily visible in the spectral image of FIG. 14B closely matches the points and contours that are visible in the fine image of FIG. 14A.

상기 스펙트럼 및 시각적 이미지에서 픽셀의 좌표가 등록되면, 그것들은 함께 디지털 저장될 수 있다. 전체 이미지나 부분 이미지가 저장될 수 있다. 예를 들면, 상기 진단 영역은 전체 샘플의 이미지 대신에 디지털 저장될 수 있다. 이는 데이터 저장 요건을 크게 감소시킬 수 있다.Once the coordinates of the pixels in the spectral and visual images are registered, they can be stored digitally together. The whole image or partial image may be stored. For example, the diagnostic region may be digitally stored instead of an image of the entire sample. This can greatly reduce data storage requirements.

상기 스펙트럼 또는 시각적 영상 중 하나에서 특정 픽셀 영역을 보는 사용자는 즉시 다른 이미지의 대응 픽셀 영역에 접근할 수 있다. 예를 들어, 병리학자는 마우스를 클릭하거나 조이스틱을 조절함으로써 스펙트럼 이미지의 영역을 선택할 수 있고, 상기 스펙트럼 이미지에 등록된 시각적 이미지의 대응 지역을 볼 수 있다. 도 14D는 본 발명의 측면에 따라 도 14C의 등록된 이미지에 대한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 예시이다. 도 14D에 보여지는 상기 GUI는 시각적, 스펙트럼 및 등록된 이미지 사이를 토글(toggle)할 수 있도록 하며, 관심의 특정 부분을 검사할 수 있도록 한다.A user viewing a particular pixel region in either the spectral or visual image can immediately access the corresponding pixel region of another image. For example, a pathologist can select an area of the spectral image by clicking the mouse or adjusting the joystick and can view the corresponding area of the visual image registered to the spectral image. 14D is an illustration of a graphical user interface (GUI) for the registered image of FIG. 14C in accordance with an aspect of the present invention. The GUI shown in FIG. 14D allows to toggle between visual, spectral, and registered images, and to inspect specific portions of interest.

또한, 병리학자의 이미지 이동 또는 조작으로 그/그녀는 또한 등록된 다른 이미지의 대응 부분에 접근할 수 있다. 예를 들면, 병리학자가 상기 스펙트럼 이미지의 특정 부분을 확대하는 경우, 그/그녀는 같은 수준의 확대에서 상기 시각적 이미지의 동일 부분에 접근할 수 있다.In addition, the pathologist's image movement or manipulation allows him / she to also access the corresponding portion of the other images registered. For example, if a pathologist magnifies a particular portion of the spectral image, he / she can access the same portion of the visual image at the same level of magnification.

시각적 현미경 시스템의 운영 파라미터(operational parameters)뿐만 아니라 현미경 배율, 배율 변화 등은 기구 특정 로그 파일(instrument specific log file)에 저장될 수도 있다. 상기 로그 파일은 알고리즘 훈련에 대한 주석 레코드(annotation records) 및 대응 스펙트럼 픽셀을 선택하기 위해 나중에 이용될 수 있다. 따라서, 병리학자는 상기 스펙트럼 이미지를 조작할 수 있으며, 나중에 그것에 등록된 스펙트럼 이미지 및 디지털 이미지는 모두 적절한 배율로 표시된다. 이 기능은 예를 들어 사용자가 나중에 보거나 원격 관찰(remote viewing)에 대한 전자 송달(electronic transmittal)을 하기 위해 조작되고 등록된 이미지를 디지털 방식으로 저장할 수 있도록 하기 때문에 유용할 수 있다.Operational parameters of the visual microscope system, as well as microscope magnification, magnification change, and the like, may be stored in an instrument specific log file. The log file can later be used to select annotation records and corresponding spectral pixels for algorithm training. Thus, a pathologist can manipulate the spectral image, and later both the spectral image and the digital image registered to it are displayed at an appropriate magnification. This function can be useful, for example, because it allows a user to digitally store an image that has been manipulated and registered for later electronic transmission for remote viewing or remote viewing.

이미지 등록은 본 발명의 측면에 따른 방법의 훈련 단계에서 훈련 스펙트럼을 추출하기 위해 알려진 진단을 갖는 조직 부분에서 사용될 수 있다. 훈련 단계에서, 착색된 조직의 시각적 이미지는 HCA와 같은 무감독 스펙트럼 이미지로 등록될 수 있다. 이미지 등록은 또한 조직 부분을 진단할 때 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 조직 부분의 감독 스펙트럼 이미지는 그와 대응하는 시각적 이미지에 등록될 수 있다. 따라서, 사용자는 선택된 등록 이미지의 지점에 따라 진단을 받을 수 있다.Image registration can be used in tissue parts with known diagnostics to extract the training spectrum in the training phase of the method according to aspects of the present invention. In the training phase, the visual image of the colored tissue may be registered as an unsupervised spectral image such as HCA. Image registration can also be used when diagnosing tissue parts. For example, a supervised spectral image of the tissue portion may be registered in a corresponding visual image. Therefore, the user may be diagnosed according to the point of the selected registered image.

본 발명의 측면에 따른 이미지 등록은 생물 샘플 분석의 앞선 방법을 통해 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 생물학적 물질을 분석할 때 병리학자가 스펙트럼 이미지에 의존하도록 하며, 이는 생물 샘플의 매우 민감한 생화학 내용을 반영한다. 이를테면, 미세전이 등의 작은 이상, 암 발병 전(pre-cancerous) 또는 암 세포의 감지에 관련 기술보다 상당히 뛰어난 정확도를 제공한다. 따라서, 상기 병리학자는 생물 샘플 시각적 이미지의 그/그녀의 주관적인 관찰을 그/그녀의 샘플 분석의 근거로 할 필요가 없다. 따라서 예를 들면, 그/그녀의 결과를 확인하기 위해 필요에 따라 상기 병리학자는 단순히 스펙트럼 이미지를 연구할 수 있고, 등록된 시각적 이미지의 관련 부분을 참조할 수 있다.Image registration in accordance with aspects of the present invention provides many advantages over earlier methods of biological sample analysis. For example, when analyzing biological materials, pathologists rely on spectral images, which reflect the very sensitive biochemical content of biological samples. For example, it provides significantly better accuracy than the related art in the detection of small abnormalities such as micrometastasis, pre-cancerous or cancer cells. Thus, the pathologist need not base his / her subjective observation of the biological sample visual image on his / her sample analysis. Thus, for example, the pathologist may simply study the spectral image and refer to the relevant portion of the registered visual image as needed to confirm his / her results.

또한, 본 발명의 측면에 따른 상기 이미지 등록 방법은 디지털 데이터 즉, 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지의 픽셀의 상관관계를 기반으로 하기 때문에 Bird(Bird 외, "Spectral detection of micro-metastates in lymph node histo-pathology", J.Biophoton. 2, No. 1-2, 37-46 (2009))의 종래 방법보다 뛰어난 정확도를 제공한다. Bird는 상기 이미지로부터 디지털 데이터가 상호연관되지 않으며, 그 대신 단지 상기 이미지를 물리적으로 입힘으로써 인접 조직 부분의 스펙트럼 및 시각적 이미지를 시각적으로 일치시키는 사용자의 능력에 의존한다. 따라서, 본 발명의 측면에 따른 상기 이미지 등록 방법은 비정상 또는 암 세포에 관한 보다 정확하고 재현 가능한 진단을 제공한다. 이는 예를 들어, 이상 및 암의 표시가 감지되기 힘든 질병의 초기 단계에 정확한 진단을 제공하는데 도움이 될 수 있다.In addition, since the image registration method according to an aspect of the present invention is based on the correlation of digital data, that is, the pixels of the spectrum and the visual image, Bird (Bird et al., "Spectral detection of micro-metastates in lymph node histo-pathology" ", J. Biophoton. 2, No. 1-2, 37-46 (2009)). Bird does not correlate digital data from the image, but instead relies on the user's ability to visually match the spectrum and visual image of adjacent tissue parts by physically coating the image. Thus, the image registration method according to aspects of the present invention provides a more accurate and reproducible diagnosis of abnormal or cancerous cells. This may help to provide an accurate diagnosis, for example, in the early stages of a disease where abnormalities and signs of cancer are difficult to detect.

훈련training

도 3의 순서도에 제공된 방법에서 305 단계에 명시된 바와 같이, 훈련 세트는 선택적으로 개발될 수 있다. 본 발명의 측면에 따르면, 훈련 세트는 다른 것들 사이에 있는 특정 질병 또는 상태와 관련된 스펙트럼 데이터를 포함한다. 상기 훈련 세트의 스펙트럼 데이터와 질병 또는 상태의 연관성은 일반적인 병리학적 표본에서 발견되는 형태학적 기능에 따라 스펙트럼 패턴에 대한 고전 병리학의 상관관계에 기초할 수 있다. 상기 질병 및 상태는 세포 이상, 염증(inflammation), 감염(infections), 전암(pre-cancer) 및 암을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.As indicated at step 305 in the method provided in the flowchart of FIG. 3, a training set may optionally be developed. According to aspects of the present invention, a training set includes spectral data related to a particular disease or condition among others. The association of the spectral data of the training set with a disease or condition may be based on the correlation of classical pathology to spectral patterns depending on the morphological functions found in common pathological specimens. The diseases and conditions may include, but are not limited to, cellular abnormalities, inflammation (inflammation), infections (infections), pre-cancer and cancer.

본 발명에 따른 하나의 측면에 따르면, 상기 훈련 단계에서 훈련 세트는 질병 또는 상태를 포함하는 시각적 이미지의 영역 식별, 상기 시각적 이미지의 영역을 상기 영역에 대응하는 스펙트럼 데이터와 상호연관 및 스펙트럼 데이터와 해당 질병 또는 상태 간의 연관성을 저장함으로써 개발될 수 있다. 상기 훈련 세트는 이후 데이터베이스와 같은 저장소에 보관될 수 있고, 상기 훈련 세트에서 파생된 출력과 진단 알고리즘을 제공하는 기계 학습 알고리즘(machine learning algorithms)에서 사용 가능하도록 될 수 있다. 상기 진단 알고리즘은 또한 나중의 사용을 위해 데이터베이스와 같은 저장소에 보관될 수 있다.According to one aspect of the present invention, in the training step, the training set identifies a region of a visual image comprising a disease or condition, correlates the region of the visual image with spectral data corresponding to the region, and corresponds to the spectral data. It can be developed by storing associations between diseases or conditions. The training set can then be stored in a repository, such as a database, and made available to machine learning algorithms that provide output and diagnostic algorithms derived from the training set. The diagnostic algorithm may also be stored in a repository, such as a database, for later use.

예를 들어, 조직 부분의 시각적 이미지는 HCA에 의해 준비된 것과 같은 대응하는 무감독 스펙트럼 이미지로 등록될 수 있다. 그 다음, 사용자는 상기 시각적 이미지의 특징 영역(characteristic region)을 선택할 수 있다. 이 영역은 질병 또는 상태를 명시하기 위해 사용자에 의해 분류되고 및/또는 주석이 달릴 수 있다. 대응하는 등록된 무감독 스펙트럼 이미지 내 특징 영역의 근본이 되는 상기 스펙트럼 데이터는 질병 또는 상태에 대해 분류되거나 및/또는 주석이 달릴 수 있다.For example, the visual image of the tissue portion may be registered as a corresponding unsupervised spectral image as prepared by HCA. The user can then select a characteristic region of the visual image. This area may be classified and / or annotated by the user to specify a disease or condition. The spectral data underlying the feature region in the corresponding registered unsupervised spectral image may be classified and / or annotated for the disease or condition.

질병 또는 상태에 대해 분류되고 및/또는 주석이 달린 상기 스펙트럼 데이터는 ANN과 같은 감독 분석 방법이 훈련을 위해 사용될 수 있는 훈련 세트를 제공한다. 예를 들어, 이러한 방법은 Lasch, Miljkovic, Dupuy에서도 설명된다. 상기 훈련된 감독 분석 방법은 진단 알고리즘을 제공할 수 있다.The spectral data, classified and / or annotated for a disease or condition, provides a training set in which a supervised analytical method such as ANN can be used for training. For example, this method is also described in Lasch, Miljkovic, and Dupuy. The trained supervisory analysis method may provide a diagnostic algorithm.

질병 또는 상태 정보는 기구에 의해 제공되는 알고리즘, 사용자에 의해 훈련된 알고리즘 또는 이들의 조합에 근거한다. 예를 들면, 기구에 의해 제공된 알고리즘은 상기 사용자에 의해 향상될 수 있다.Disease or condition information is based on algorithms provided by the instrument, algorithms trained by the user, or a combination thereof. For example, the algorithm provided by the instrument can be improved by the user.

본 발명의 측면에 따른 훈련 단계의 이점은 상기 등록된 이미지가 합의-기반 "최적 기준"의 최고로 가능한 훈련을 받을 수 있다는 것이며, 이는 재현 가능하고 반복적인 기준에 의해 스펙트럼 데이터를 평가한다. 따라서, 적절한 기구 검증 및 알고리즘 훈련 후에 본 발명의 측면에 따른 방법은 정상, 비정형(atypical), 낮은 등급의 종양, 높은 등급의 종양 및 암과 같이 시각적으로 할당된 기준에 의존하는 것보다 세계적으로 유사한 결과를 생산할 수 있다. 각 세포에 대한 결과는 적절히 조절된 숫자 색인 또는 분류 매치 가능성으로서의 전체 결과에 의해 나타내어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 측면에 따른 방법은 다양한 생물 구조 및 질병 진단의 감지에 대한 민감도 및 특이성을 가질 수 있다.An advantage of the training step according to aspects of the present invention is that the registered image can receive the best possible training of the consensus-based "optimal criterion", which evaluates the spectral data by reproducible and repetitive criteria. Thus, after proper instrument verification and algorithm training, the method according to aspects of the present invention is more similar worldwide than relying on visually assigned criteria such as normal, atypical, low grade tumors, high grade tumors and cancer. Can produce results. The results for each cell can be represented by the overall results as appropriately adjusted numerical indexes or classification matchability. Thus, the method according to aspects of the present invention may have sensitivity and specificity for the detection of various biological structures and disease diagnoses.

훈련 세트의 진단 한계는 상기 스펙트럼 데이터가 질병이나 상태에 대해 분류되고 및/또는 주석이 달리는 범위에 의해 제한될 수 있다. 위에서 나타난 바와 같이, 이 훈련 세트는 상기 사용자 자신의 관심 및 전문 지식에 의해 증대될 수 있다. 예를 들면, 사용자는 H&E 착색 위에 하나 이상의 IHC 착색과 같이 다른 것에 착색된 것을 선호할 수 있다. 또한, 알고리즘은 예를 들어 겨드랑이 림프절의 유방암 전이와 같은 특정 상태를 인식하기 위해 훈련될 수 있다. 상기 알고리즘은 오직 선암 대 비선암과 같은 정상 대 비정상 조직 유형 또는 바이너리 출력를 표시하도록, 막낭, B- 및 T-림프구와 같은 상이한 정상 조직 유형의 발생을 분류하지 않도록 훈련될 수 있다. SHP에 의해 얻어진 특별한 조직 유형 또는 질병 상태의 영역은 상기 조직 부분의 실시간 미세 표시에 겹친 "디지털 착색"으로 표현될 수 있다.The diagnostic limit of the training set may be limited by the extent to which the spectral data is classified for the disease or condition and / or annotated. As indicated above, this training set can be augmented by the user's own interests and expertise. For example, a user may prefer to color something else, such as one or more IHC colors over H & E coloring. In addition, algorithms can be trained to recognize certain conditions, such as, for example, breast cancer metastasis of armpit lymph nodes. The algorithm can be trained not to classify the occurrence of different normal tissue types such as meninges, B- and T-lymphocytes, so as to only display normal versus abnormal tissue types or binary outputs such as adenocarcinoma versus non-adenocarcinoma. The area of a particular tissue type or disease state obtained by the SHP can be represented by "digital staining" superimposed on the real time microscopic representation of the tissue part.

진단Diagnosis

도 3의 순서도에서 306 단계에 설명된 바와 같이, 상기 스펙트럼 및 시각적 이미지가 등록되면, 그것들은 의료 진단의 형성을 위해 이용될 수 있다. 상기 진단은 세포 이상, 염증, 감염, 전암, 암 및 총 해부학적 특징(gross anatomical features)을 포함하나 이에 국한되지 않는 질병이나 상태를 포함할 수 있다. 본 발명의 측면에 따른 방법에서, 그 시각적 이미지로 등록된 알려지지 않은 질병 또는 상태의 생물 표본 스펙트럼 이미지의 스펙트럼 데이터는 위에서 설명된 바와 같이, 훈련된 진단 알고리즘에 입력될 수 있다. 진단 알고리즘의 준비에 사용된 훈련 세트에 유사성을 바탕으로, 상기 생물 표본의 스펙트럼 데이터는 질병 또는 상태에 상호연관될 수 있다. 상기 질병 또는 상태는 진단을 통해 출력될 수 있다.As described in step 306 in the flowchart of FIG. 3, once the spectral and visual images have been registered, they can be used for the formation of a medical diagnosis. The diagnosis may include a disease or condition, including but not limited to cellular abnormalities, inflammation, infection, precancerous cancer, cancer, and gross anatomical features. In a method according to an aspect of the present invention, the spectral data of a biological specimen spectral image of an unknown disease or condition registered as its visual image may be input to a trained diagnostic algorithm, as described above. Based on the similarity to the training set used to prepare the diagnostic algorithm, the spectral data of the biological specimen can be correlated to the disease or condition. The disease or condition may be output through diagnosis.

예를 들어, 스펙트럼 데이터 및 시각적 이미지는 알려지지 않은 질병 또는 상태의 생물 표본으로부터 얻어질 수 있다. 상기 스펙트럼 데이터는 HCA와 같은 무감독 방법에 의해 분석될 수 있으며, 이는 이후 무감독 스펙트럼 이미지를 준비하기 위해 공간적 참조 데이터(spatial reference data)와 함께 사용될 수 있다. 이 무감독 스펙트럼 이미지는 위에서 논의된 바와 같이, 상기 시각적 이미지와 등록될 수 있다. 무감독 방법에 의해 분석된 상기 스펙트럼 데이터는 이후 훈련된 감독 알고리즘으로 입력될 수 있다. 예를 들면, 상기 훈련된 감독 알고리즘은 위의 훈련 단계에서 설명된 바와 같이, ANN일 수 있다. 상기 훈련된 감독 알고리즘의 출력은 훈련 세트를 기반으로 한 질병 또는 상태의 분류 및/또는 주석에 해당하는 하나 이상의 라벨(labels)을 포함하는 스펙트럼 데이터일 수 있다.For example, spectral data and visual images can be obtained from biological specimens of unknown disease or condition. The spectral data can be analyzed by an unsupervised method such as HCA, which can then be used with spatial reference data to prepare an unsupervised spectral image. This unsupervised spectral image can be registered with the visual image, as discussed above. The spectral data analyzed by the unsupervised method can then be input into a trained supervision algorithm. For example, the trained supervisory algorithm may be an ANN, as described in the training phase above. The output of the trained supervision algorithm may be spectral data comprising one or more labels corresponding to the classification and / or annotation of the disease or condition based on the training set.

상기 라벨에 따라 진단을 추출하기 위해, 상기 라벨링된 스펙트럼 데이터는 시각적 이미지 및/또는 생물 표본의 무감독 스펙트럼 이미지와 함께 등록될 수 있는 감독 스펙트럼 이미지를 준비하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, GUI를 통해 상기 감독 스펙트럼 이미지가 시각적 이미지 및/또는 무감독 스펙트럼 이미지와 함께 등록될 때, 사용자는 상기 시각적 이미지 또는 무감독 스펙트럼 이미지의 관심 포인트 및 상기 감독 스펙트럼 이미지의 지점에서 라벨에 대응하는 질병 또는 상태가 제공된 포인트를 선택할 수 있다. 대안으로, 사용자는 특정 질병이나 상태에 대한 등록된 이미지를 검색하는 소프트웨어 프로그램을 요청할 수 있고, 상기 소프트웨어는 특정 질병이나 상태가 라벨링된 시각적, 무감독 스펙트럼 및 감독 스펙트럼 이미지의 부분을 강조할 수 있다. 이는 매우 민감하고 미세적으로 획득한 데이터에 접근하는 동안 바람직하게 사용자가 실시간으로 진단을 얻을 수 있도록 하며, 또한 상기 사용자가 그/그녀가 익숙한 시각적 이미지를 볼 수 있도록 한다.To extract a diagnosis according to the label, the labeled spectral data can be used to prepare a supervised spectral image that can be registered with the visual image and / or the unsupervised spectral image of the biological specimen. For example, when the supervised spectral image is registered with the visual image and / or the unsupervised spectral image via a GUI, the user is placed on a label at the point of interest of the visual or unsupervised spectral image and at the point of the supervised spectral image. The point at which the corresponding disease or condition is provided may be selected. Alternatively, a user may request a software program to retrieve a registered image for a particular disease or condition, which may highlight portions of the visual, unsupervised spectrum and supervised spectrum images labeled with the particular disease or condition. . This preferably allows the user to get a diagnosis in real time while accessing very sensitive and finely acquired data and also allows the user to see the visual image he / she is familiar with.

상기 진단은 "그렇다/그렇지 않다" 유형의 출력과 같은 바이너리 출력을 포함할 수 있으며, 이는 질병이나 상태의 존재 또는 결핍을 나타낸다. 또한, 상기 진단은 질병이나 상태의 일치 확률과 같은 부가적 보고(adjunctive report), 색인(index) 또는 관련 구성 비율(relative composition ratio)을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.The diagnosis may include a binary output, such as an output of the "yes / no" type, which indicates the presence or absence of a disease or condition. In addition, the diagnosis may include, but is not limited to, adjunctive reports, indexes, or relative composition ratios, such as the probability of matching a disease or condition.

본 발명의 방법의 측면에 따르면, 조직 부분의 총 건축 특징(gross architectural features)은 필연적으로 질병에 관련이 없는 총 해부학적 특징을 구별하기 위해 스펙트럼 패턴을 통해 분석될 수 있다. 글로벌 디지털 착색(global digital staining: GDS)으로 알려진 이러한 과정은 감독 및 무감독 다변량 방법(multivariate methods)의 조합을 이용할 수 있다. GDS는 선상 및 편평 상피(glandular and squamous epithelium), 내피(endothelium), 결합 조직(connective tissue), 뼈(bone) 및 지방 조직(fatty tissue)을 포함하나 이에 국한되지 않는 해부학적 특징을 분석하기 위해 사용될 수 있다.According to an aspect of the method of the invention, gross architectural features of the tissue portion may be analyzed via spectral patterns to distinguish gross anatomical features that are not necessarily disease related. This process, known as global digital staining (GDS), can utilize a combination of supervised and unsupervised multivariate methods. GDS is used to analyze anatomical features, including but not limited to glandular and squamous epithelium, endothelial, connective tissue, bone and fatty tissue. Can be used.

GDS에서, 감독 진단 알고리즘은 다른 환자로부터 주어진 질병의 여러 샘플을 포함하는 훈련 데이터세트로부터 구축될 수 있다. 환자의 각 개별 조직 부분은 위에서 설명한 바와 같이 스펙트럼 이미지 데이터 획득, 결과 데이터세트의 사전 처리 및 HCA와 같은 무감독 알고리즘에 의한 해석을 이용하여 분석될 수 있다. 상기 HCA 이미지는 해당 착색된 조직에 등록될 수 있으며, 병리학자에 의해 주석이 달릴 수 있다. 도 15A-C에 나타나는 이 주석 단계는 조직 유형 또는 질병 단계와 상태 또는 다른 원하는 특징의 전형적인 징후에 해당하는 스펙트럼을 추출하도록 한다. 그 결과 주석이 달린 의료 진단과 함께 전형적인 스펙트럼은 이후 인식하도록 훈련된 특징을 감지하는데 특별히 적합한 ANN과 같은 감독 알고리즘을 훈련시키는데 사용될 수 있다.In GDS, supervised diagnostic algorithms can be built from training datasets containing several samples of a given disease from different patients. Each individual tissue portion of the patient can be analyzed using spectral image data acquisition, preprocessing of the resulting dataset and interpretation by an unsupervised algorithm such as HCA, as described above. The HCA image can be registered in the corresponding colored tissue and annotated by a pathologist. This annotation step, shown in Figures 15A-C, allows for the extraction of spectra corresponding to tissue types or stages of disease and typical signs of conditions or other desired features. As a result, the typical spectrum along with annotated medical diagnostics can then be used to train supervisory algorithms such as ANN that are particularly suited to detecting features trained to recognize.

GDS 방법에 따르면, 상기 샘플은 고전 착색(classical stains) 또는 면역-조직 화학의 물질(immune-histochemical agents)을 사용하여 착색될 수 있다. 상기 병리학자가 착색된 샘플을 받고 전산화된 이미징 현미경을 이용하여 검사하는 경우, 상기 스펙트럼 결과는 시각적 현미경을 제어하는 컴퓨터에서 사용될 수 있다. 상기 병리학자는 샘플 상의 조직점을 선택할 수 있고, 분광-기반 진단을 받을 수 있다. 이 진단은 동일한 스펙트럼 진단 분류를 갖는 모든 영역을 나타내는 상기 시각적 이미지에 그레이스케일 또는 의사-색채 이미지를 입힐 수 있다.According to the GDS method, the sample can be stained using classical stains or immunohistochemical agents. When the pathologist receives the colored sample and examines it using a computerized imaging microscope, the spectral results can be used in a computer controlling the visual microscope. The pathologist can select a tissue point on the sample and receive a spectroscopic-based diagnosis. This diagnosis can apply a grayscale or pseudo-color image to the visual image representing all areas having the same spectral diagnostic classification.

도 15A는 H&E-착색된 림프절 조직 부분의 시각적 미세 이미지이다. 도 15B는 림프절의 막낭 및 내부와 같은 총 해부학적 특징의 글로벌 식별(global discrimination)의 전형적인 예시를 나타낸다. 도 15B는 도 15A에 표시된 부분의 글로벌 디지털 착색 이미지이며, 림프절의 막낭과 내부를 구별한다.15A is a visual microscopic image of H & E-stained lymph node tissue sections. FIG. 15B shows a typical illustration of global discrimination of total anatomical features, such as the membrane sac and the interior of a lymph node. FIG. 15B is a global digital staining image of the portion shown in FIG. 15A, which distinguishes the membrane sac from the inside of the lymph node.

해당 시각적 이미지에 등록된 총 해부학적 특징 영역은 상기 스펙트럼 패턴 데이터세트의 더욱 정교한 기준에 따른 분석을 위해 선택될 수 있다. 이 진단의 다음 수준은 예를 들어, 오직 SHP 결과에 기초할 수 있는 진단 표시 디지털 착색(diagnostic marker digital staining: DMDS) 데이터베이스를 기반으로 할 수 있거나, 면역-조직 화학(IHC)의 결과를 이용하여 수집될 수 있는 스펙트럼 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택된 지역을 스캔하기 위해 많은 진단 데이터베이스를 사용함으로써 상피 조직 부분은 비정상 및/또는 암을 나타내는 스펙트럼 패턴의 존재에 대한 분석을 위해 선택될 수 있다. 이러한 방식의 예시가 도 15C에 개략적으로 보여지며, 이는 고전 조직병리학에서 면역-조직 화학 착색 후에만 이용될 수 있는 것과 같이 SHP의 전체 차별적 능력(full discriminatory power)을 활용하고, 림프절 내부 조직 특징의 세부사항(암, 림프구 등)을 산출한다. 도 15C는 도 15A에 보여지는 부분의 DMDS 이미지이며, 막낭, 전이성 유방암(metastatic breast cancer), 조직구, 활성화된 B-림프구 및 T림프구를 구별한다.The total anatomical feature area registered in the corresponding visual image can be selected for analysis according to more sophisticated criteria of the spectral pattern dataset. The next level of diagnosis can be based on a diagnostic marker digital staining (DMDS) database, which can only be based on SHP results, for example, or by using the results of immunohistochemistry (IHC). It may include spectral information that may be collected. For example, by using many diagnostic databases to scan selected areas, epithelial tissue portions can be selected for analysis of the presence of spectral patterns indicative of abnormality and / or cancer. An example of this approach is shown schematically in FIG. 15C, which utilizes the full discriminatory power of SHP and utilizes lymph node internal tissue features as can only be used after immuno-histochemical staining in classical histopathology. Calculate details (cancer, lymphocytes, etc.) FIG. 15C is a DMDS image of the portion shown in FIG. 15A, which distinguishes the meninges, metastatic breast cancer, histiocytes, activated B-lymphocytes and T lymphocytes.

GDS와 DMDS 간의 관계는 도 16의 개략도에 각각 어두운 청색 및 보라색으로 표시된 수평 진행에 의해 보여진다. GDS 및 DMDS 모두는 스펙트럼 데이터를 기반으로 하지만 IHC 데이터와 같은 다른 정보를 포함할 수 있다. 실제 진단은 동일한 또는 hANN과 같이 유사 훈련된 진단 알고리즘에 의해 수행될 수도 있다. 이러한 hANN은 먼저 상기 조직에 대해 수집된 패턴의 데이터세트에 큰 변화를 감지하는 총 해부학적 특징에 대한 조직 부분을 분석할 수 있다(어두운 청색 트랙). 이후 "진단 요소" 분석은 보라색 트랙에 표시된 스펙트럼 정보의 일부를 사용하여 hANN에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 바이너리 형식의 다층 알고리즘이 구현될 수 있다. 각각의 진단에 도달하기 위해 GDS 및 DMDS 모두는 도 16에 총 조직 데이터베이스 및 진단 조직 데이터베이스로 표시된 상이한 데이터베이스 세부 항목을 사용할 수 있고, 그 결과는 적절한 이미지 등록 후 상기 착색된 이미지에 겹쳐질 수 있다.The relationship between the GDS and the DMDS is shown by the horizontal progression indicated by dark blue and purple, respectively, in the schematic diagram of FIG. 16. Both GDS and DMDS are based on spectral data but may include other information such as IHC data. The actual diagnosis may be performed by the same or similarly trained diagnostic algorithm, such as hANN. These hANNs can first analyze tissue portions for total anatomical features that detect large changes in the dataset of patterns collected for the tissue (dark blue tracks). “Diagnostic Factor” analysis can then be performed by hANN using some of the spectral information indicated in the purple track. For example, a multi-layer algorithm in binary format can be implemented. In order to reach each diagnosis, both GDS and DMDS can use different database details, indicated in Figure 16 as Total Tissue Database and Diagnostic Tissue Database, and the result can be superimposed on the colored image after proper image registration.

본 발명의 측면에 따른 방법의 예시에 따르면, 병리학자는 정확한 진단이 달성되도록 하기 위해 특정 입력을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 병리학자는 착색된 이미지의 품질을 시각적으로 체크할 수 있다. 또한, 상기 병리학자는 샘플의 배율 또는 시야를 변경하기 위해 선택적 질문(selective interrogation)을 수행할 수 있다.According to an example of a method according to an aspect of the present invention, the pathologist may provide certain inputs to ensure that an accurate diagnosis is made. For example, the pathologist can visually check the quality of the colored image. The pathologist can also perform selective interrogation to alter the magnification or field of view of the sample.

본 발명의 측면에 따른 방법은 병리학자가 상기 생물 표본을 보고 이미지 등록을 수행함으로써 실시될 수 있다. 또는, 상기 등록된 이미지가 전자적으로 전송될 수 있는 디지털 데이터를 포함하고 있기 때문에 상기 방법은 원격으로 수행될 수 있다.The method according to aspects of the invention may be practiced by a pathologist looking at the biological specimen and performing image registration. Alternatively, the method can be performed remotely because the registered image contains digital data which can be transmitted electronically.

방법은 다음의 제한되지 않는 예시에 의해 보여질 수 있다.The method can be shown by the following non-limiting example.

예 2 - 림프절 부분Example 2-lymph node part

도 17은 1㎜ x 1㎜로 측정된 H&E-착색된 겨드랑이 림프절 부분의 시각적 이미지를 보여주며, 좌측 사분면(left quadrant) 상단에 유방암 미세전이를 포함한다. 도 17B는 유방암 미세전이의 SHP-기반 디지털 착색된 영역이다. 예를 들어, 미세전이의 일반적인 지역에서 마우스에 제어되는 커서(cursor)를 이용해 클릭하여 선택함으로써, SHP에 의해 암으로 확인된 영역은 도 17B에 보여지듯이 적색으로 강조된다. 도 17C는 B-림프구가 차지하는 SHP-기반 디지털 착색된 영역이다. 우측 하단 모서리를 향해 포인팅함으로써, B-림프구에 의해 차지된 영역은 도 17C에 보여지듯이 밝은 청색으로 표시된다. 도 17D는 조직세포에 의해 차지된 영역을 보이는 SHP-기반 디지털 착색된 영역이며, 이는 화살표에 의해 식별된다.FIG. 17 shows a visual image of the H & E-colored armpit lymph node area measured 1 mm × 1 mm and includes breast cancer micrometastasis on the top of the left quadrant. 17B is an SHP-based digitally colored region of breast cancer micrometastasis. For example, by clicking to select using a mouse-controlled cursor in the general area of microtransition, the area identified as cancer by SHP is highlighted in red as shown in FIG. 17B. 17C is an SHP-based digitally colored region occupied by B-lymphocytes. By pointing towards the lower right corner, the area occupied by the B-lymphocytes is indicated in light blue as shown in FIG. 17C. 17D is an SHP-based digitally colored area showing the area occupied by tissue cells, which is identified by arrows.

상기 SHP-기반 디지털 착색이 스펙트럼과 진단을 포함하는 훈련되고 검증된 저장소 또는 데이터베이스를 기반으로 하기 때문에, 주어진 상기 디지털 착색은 도 17B의 "전이성 유방암"의 경우와 같이 진단 카테고리(diagnostic category)에 직접적으로 연관될 수 있다. SHP에 의해 진단 분석이 수행될 수 있지만, 상기 시스템은 먼저 병리학자에 의해 보완 또는 보조 수단으로 사용될 수 있다. 부가적 도구로서, 예를 들어 상기 출력은 바이너리 보고(binary report)가 아닌 매치 확률(match probability)일 수 있다. 도 18은 SHP와 개별 및 작은 군집의 암 세포의 감지를 보여준다.Because the SHP-based digital coloration is based on a trained and verified repository or database containing spectra and diagnostics, the given digital coloration can be applied directly to the diagnostic category, such as in the case of "metastatic breast cancer" Lt; / RTI &gt; Although diagnostic analysis can be performed by SHP, the system can first be used by a pathologist as a supplement or supplement. As an additional tool, for example, the output may be a match probability rather than a binary report. 18 shows the detection of SHP and cancer cells of individual and small populations.

예 3 - 폐 부분의 미세 바늘 흡인(Example 3-Fine Needle Aspiration in the Lung Part ( finefine needleneedle aspirateaspirate ) 샘플) Sample

샘플 부분은 폐에 위치한 의심스러운 집단의 미세 바늘 흡인으로 준비된 포르말린 고정 파라핀 내장(formalin fixed paraffin embedded) 세포 블록으로부터 절단된다. 세포 블록은 이전의 조직학적(histological) 분석이 선암, 소세포암(SCC) 또는 폐편평상피암(squamous cell carcinoma of the lung)을 식별한 기준을 기반으로 하여 선택된다. 표본은 약 5㎛의 두께로 제공하기 위해 마이크로톰(microtome)을 이용하여 절단되고, 이후 low-e 현미경 슬라이드(Kevley Technologies, Ohio, USA)에 장착된다. 부분은 이후 표준 프로토콜을 이용하여 탈파라핀화된다. 분광 데이터 수집 이후, 상기 조직 부분은 조직병리학자에 의해 형태학적 해석이 가능하도록 헤마톡실린 및 에오신(hematoxylin and eosin: H&E) 착색된다.The sample portion is cut from formalin fixed paraffin embedded cell blocks prepared by microneedle aspiration of a suspect population located in the lung. Cell blocks are selected based on criteria for which previous histological analysis identified adenocarcinoma, small cell carcinoma (SCC) or squamous cell carcinoma of the lung. Samples are cut using a microtome to provide a thickness of about 5 μm and then mounted on low-e microscope slides (Kevley Technologies, Ohio, USA). The portion is then deparaffinized using standard protocols. After spectroscopic data collection, the tissue portions are hematoxylin and eosin (H & E) stained for morphological interpretation by histopathologists.

Perkin Elmer Spectrum 1 / Spotlight 400 Imaging Spectrometer (Perkin Elmer Corp, Shelton, CT, USA)는 이 연구에 쓰인다. 적외선 마이크로-스펙트럼 이미지는 노턴-비어 아포디제이션(Norton-Beer apodization) (see, e.g., Naylor, et al. J Opt. Soc. Am., A24:3644-3648(2007)) 및 푸리에 변환 이전에 반투과 (전송/반사) 모드(transflection mode)에서 1㎜ x 1㎜ 조직 지역으로부터 6.25㎛ x 6.25㎛의 픽셀 해상도(pixel resolution), 4㎝-1의 스펙트럼 해상도 및 8 인터페로그램의 공동 부가로 기록된다. 적절한 배경 스펙트럼은 단일 빔 스펙트럼에 대한 비율로 상기 샘플 영역 외부에 수집된다. 그 결과 비율 스펙트럼(ratioed spectra)은 이후 흡광도(absorbance)로 변환된다. 각 1㎜ x 1㎜의 적외선 이미지는 160 x 160 또는 25,600 스펙트럼을 포함한다.Perkin Elmer Spectrum 1 / Spotlight 400 Imaging Spectrometer (Perkin Elmer Corp, Shelton, CT, USA) is used in this study. Infrared micro-spectral images were captured before Norton-Beer apodization (see, eg, Naylor, et al. J Opt. Soc. Am., A24: 3644-3648 (2007)) and Fourier transform With a pixel resolution of 6.25 μm x 6.25 μm, a spectral resolution of 4 cm −1 and a joint addition of 8 interferograms from the 1 mm x 1 mm tissue area in the transflection mode Is recorded. Appropriate background spectra are collected outside the sample area in proportion to a single beam spectrum. As a result, the ratio spectra are then converted into absorbance. Each 1 mm x 1 mm infrared image contains 160 x 160 or 25,600 spectra.

처음에, 원시 적외선 마이크로-스펙트럼 데이터 세트는 매트랩(Matlab) (version R2009a, Mathworks, Natick, MA, USA)으로 작성된 소프트웨어를 사용하여 수입되고, 처리된다. 스펙트럼 품질 테스트는 조직이 존재하지 않는 지역으로부터 기록되거나 잡음에 대해 열악한 신호가 표시된 모든 스펙트럼을 제거하기 위해 수행된다. 상기 테스트를 통과한 모든 스펙트럼은 이후 베이스라인 오프-셋 정규화(baseline off-set normalize) (전체 스펙트럼 벡터에서 최소한의 흡광 강도의 삭감)되고, 2차 파생물로 변환되며(Savitzy-Golay algorithm (see. e.g., Savitzky, et al. Anal. Chem., 36:1627 (1964)), 13 smoothing points), 1350㎝-1 - 900㎝-1 스펙트럼 영역에서 기록된 강도 값만을 포함하도록 절단되고, 마지막으로 벡터 정규화(vertor normalize)된다.Initially, raw infrared micro-spectral data sets are imported and processed using software written in Matlab (version R2009a, Mathworks, Natick, MA, USA). Spectrum quality tests are performed to remove all spectra that are recorded from areas where tissue is not present or that show poor signals for noise. All spectra that pass the test are then baseline off-set normalize (minimum reduction of absorbance intensity in the entire spectral vector), converted to secondary derivatives (Savitzy-Golay algorithm (see. ... eg, Savitzky, et al Anal Chem, 36: 1627 (1964)), 13 smoothing points), 1350㎝ -1 - 900㎝ -1 is cut so as to include only the intensity value recorded in the spectral domain, the last vector Normalize to normal.

처리된 데이터 세트는 소프트웨어 시스템 및 스펙트럼 유사성의 정의를 위해 유클리디언 거리(Euclidean distance)를 사용하여 수행되는 HCA, 그리고 군집화를 위한 Ward's 알고리즘(see. e.g., Ward, J Am. Stat. Assoc., 58:236 (1963))으로 수입된다. 픽셀 군집 멤버십(membership)을 설명하는 의사-색채 군집 이미지는 이후 동일한 샘플로부터 캡쳐된 H&E 이미지와 직접적으로 결집되고 비교된다. 다른 군집화 구조를 설명하는 2 및 15 군집 간의 HCA 이미지는 다른 수준에서 계산된 HCA 계통수(dendrogram)를 자름으로써 모이게 된다. 이러한 군집 이미지는 이후 H&E-착색된 조직의 형성으로 형태학적 해석이 잘 복제된 군집화 구조를 확인하는 협력 병리학자에게 제공된다.The processed data set is HCA performed using Euclidean distance to define software system and spectral similarity, and Ward's algorithm for clustering (see, eg, Ward, J Am. Stat. Assoc., 58: 236 (1963). Pseudo-colored cluster images describing pixel cluster membership are then aggregated and compared directly with H & E images captured from the same sample. HCA images between 2 and 15 clusters describing different clustering structures are collected by cutting the HCA dendrogram computed at different levels. This cluster image is then provided to collaborative pathologists who identify clustering structures that are well replicated in morphological interpretation with the formation of H & E-stained tissue.

적외선 스펙트럼은 근본적인 베이스 라인 이동, 원인 불명의 신호 강도 변화, 피크 위치 이동 또는 기록된 스펙트럼에 미 산란 및 반사 기여에 대한 EMSC의 하위-공간 모델 버전에 의해 보정되는 람베르트비어 법칙(LambertBeer law) (see B. Bird, M. Miljkovic and M. Diem, "Two step resonant Mie scattering correction of infrared micro-spectral data: human lymph node tissue", J. Biophotonics, 3 (8-9) 597-608 (2010))으로부터 발생하지 않거나 순종하는 일반적인 특징에 의해 오염된다. 처음에, 각 암 유형에 대한 1000 기록된 스펙트럼은 도 19A-19F에서 표시되는 상기 적외선 이미지로부터 별도의 데이터 세트로 모인다.The infrared spectrum is a LambertBeer law (corrected by a sub-spatial model version of the EMSC for fundamental baseline shifts, unknown signal intensity changes, peak position shifts, or non-scattering and reflection contributions to the recorded spectra). see B. Bird, M. Miljkovic and M. Diem, "Two step resonant Mie scattering correction of infrared micro-spectral data: human lymph node tissue", J. Biophotonics, 3 (8-9) 597-608 (2010)) Not contaminated from or contaminated by general characteristics that obey. Initially, 1000 recorded spectra for each cancer type are collected into a separate data set from the infrared images shown in FIGS. 19A-19F.

이러한 데이터 세트는 이후 도 19A 및 도 19B에 보여지는 바와 같이, 최소 산란 기여(minimal scattering contributions)와 스펙트럼에 대해 검색되며, 잡음 대비 신호의 증가를 위해 각 암 유형에 대한 평균이 계산되고, 각 세포 유형에 대해 KK 변환이 계산된다. 도 19A는 폐 선암, 소세포암 및 편평 상피 세포 암종 세포로부터 기록된 세포 스펙트럼으로 구성된 원시 스펙트럼 데이터 세트를 보여준다. 도 19B는 폐 선암, 소세포암 및 편평 상피 세포 암종 세포 각각으로부터 기록된 세포 스펙트럼으로 구성된 보정된 스펙트럼 데이터 세트를 보여준다. 도 19C는 폐 선암, 소세포암 및 편평상피암(squamous cell carcinoma)에 대한 표준 스펙트럼을 보여준다.This data set is then searched for minimum scattering contributions and spectra, as shown in FIGS. 19A and 19B, and averages for each cancer type are calculated for each signal type to increase the signal to noise, and each cell The KK transform is calculated for the type. 19A shows a raw spectral data set consisting of cell spectra recorded from lung adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous cell carcinoma cells. 19B shows a calibrated spectral data set consisting of cell spectra recorded from lung adenocarcinoma, small cell carcinoma, and squamous cell carcinoma cells, respectively. 19C shows standard spectra for lung adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous cell carcinoma.

미 산란 기여에 대한 하위 공간 모델(sub space model)은 반 데 헐스트(Van de Hulst) 근사 공식(see, e.g., Brussard, et al., Rev. Mod. Phys., 34:507 (1962))을 사용하여 6㎛ - 40㎛의 핵 영역 반경 범위 및 1.1 - 1.5의 굴절률 범위를 형성하는 340 미 산란 곡선의 계산으로 구축된다. 이러한 산란 곡선으로 구성된 차이의 95% 이상을 설명하는 처음 10 주성분은 데이터 세트의 1단계 EMSC 보정의 간섭과 같이 각 암 유형에 대한 상기 KK 변환에 부가적으로 사용된다. 상기 EMSC 계산은 1000 스펙트럼 당 대략 1초가 소요된다. 도 19D는 도 19C의 스펙트럼으로부터 계산된 KK 변환 스펙트럼을 보여준다. 도 19E는 EMSC 보정 전 다중 클래스 데이터 세트의 PCA 스코어 도면을 보여준다. 도 19F는 EMSC 보정 후 다중 클래스 데이터 세트의 PCA 스코어 도면을 보여준다. 상기 분석은 1800㎝-1 - 900㎝-1 스펙트럼 영역에서 정규화된 벡터 상에서 수행된다.The sub space model for non-scattering contributions is the Van de Hulst approximation formula (see, eg, Brussard, et al., Rev. Mod. Phys., 34: 507 (1962)). Using to calculate the 340 non-scattering curve to form a nuclear region radius range of 6 μm-40 μm and a refractive index range of 1.1-1.5. The first 10 principal components accounting for more than 95% of the differences made up of these scattering curves are used in addition to the KK transformation for each cancer type, such as interference of the first stage EMSC correction of the data set. The EMSC calculation takes approximately 1 second per 1000 spectra. 19D shows the KK transform spectrum calculated from the spectrum of FIG. 19C. 19E shows a PCA score plot of a multiclass data set before EMSC correction. 19F shows a PCA score plot of a multiclass data set after EMSC correction. This assay is 1800㎝ -1 - is performed on the normalized vector from 900㎝ -1 spectral region.

도 20A는 폐 선암, 소세포암 및 편평 상피 암종(squamous carcinoma) 각각의 평균 흡광 스펙트럼을 보여준다. 이는 각 세포 유형의 1000 소량 보정된 세포 스펙트럼으로부터 계산된다. 도 20B는 도 20A에 표시된 흡광 스펙트럼의 2차 파생 스펙트럼을 보여준다. 일반적으로, 선암 및 편평상피암은 상기 스펙트럼의 낮은 파상수 영역에서 유사한 스펙트럼 윤곽(profiles)을 갖는다. 그러나, 상기 편평상피암은 아미드 I 밴드에 대해 대체로 낮은 파상수 숄더(wavenumber shoulder)를 보이며, 이는 구강(oral cavity)의 편평상피암으로부터 기록된 스펙트럼 데이터에 관찰된다(Papamarkakis, et al. (2010), Lab. Invest., 90:589-598). 상기 소세포암은 높은 파상수로 약간 이동되는 매우 강한 대칭 및 비대칭의 인산염(phosphate) 밴드를 표시하며, 관찰된 스펙트럼에 인지질(phospholipids)의 강한 기여를 나타낸다.20A shows the average absorbance spectra of lung adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous carcinoma, respectively. This is calculated from the 1000 minor corrected cell spectra of each cell type. FIG. 20B shows the secondary derivative spectrum of the absorbance spectrum shown in FIG. 20A. In general, adenocarcinoma and squamous cell carcinoma have similar spectral profiles in the low wavenumber region of the spectrum. However, the squamous cell carcinoma exhibits a generally low wavenumber shoulder for the amide I band, which is observed in spectral data recorded from squamous cell carcinoma of the oral cavity (Papamarkakis, et al. (2010), Lab. Invest., 90: 589-598). The small cell carcinoma displays very strong symmetrical and asymmetrical phosphate bands that are slightly shifted to high wavenumbers and exhibits a strong contribution of phospholipids to the observed spectrum.

상기 샘플 지역의 대부분은 혈액과 비-진단 물질로 구성되어 있기 때문에, 상기 데이터는 진단 물질만을 포함하고, 산란 기여를 보정하기 위해 사전 처리된다. 또한, HCA는 바이너리 마스크를 생성하고, 최종적으로 상기 데이터를 분류하기 위해 사용된다. 이 결과가 도 21A-21C에 보여진다. 도 21A는 선암, 소세포암 및 편평 상피 세포 암종 세포를 각각 포함하는 1㎜ x 1㎜ 조직 영역의 4 스티치된 미세 R&E-착색된 이미지를 보여준다. 도 21B는 도 21A에 표시된 상기 조직 영역으로부터 기록된 4 스티치된 원시 적외선 이미지의 1350㎝-1 - 900㎝-1 스펙트럼 영역에서 빠르게 감소하는 RCA 분석의 성능에 의해 만들어진 바이너리 마스크 이미지이다. 진단 세포 물질 및 혈액 세포의 영역이 표시된다. 도 21C는 진단 세포 물질의 영역으로부터 기록된 소량 수정된 스펙트럼 데이터의 6-군집 RCA 이미지이다. 상기 분석은 1800㎝-1 - 900㎝-1 스펙트럼 영역 상에서 수행된다. 편평상피암, 선암, 소세포암 및 다양한 결합조직형성 조직 반응(diverse desmoplastic tissue response)의 영역이 보여진다. 그렇지 않으면, 이러한 처리는 ANN과 같은 감독 알고리즘으로 대체될 수 있다.Since most of the sample area consists of blood and non-diagnostic materials, the data contain only diagnostic material and are pre-processed to correct scattering contribution. In addition, the HCA is used to generate a binary mask and finally classify the data. This result is shown in FIGS. 21A-21C. 21A shows four stitched fine R & E-stained images of 1 mm × 1 mm tissue area, each containing adenocarcinoma, small cell carcinoma and squamous cell carcinoma cells. 21B is 1350㎝ -1 of the four stitches of the raw infrared image recorded from the tissue region indicated in Figure 21A - a binary mask image made by the performance analysis of the RCA which decreases rapidly from 900㎝ -1 spectral region. Diagnostic cell material and areas of blood cells are indicated. 21C is a 6-group RCA image of a small amount of modified spectral data recorded from a region of diagnostic cell material. This assay is 1800㎝ -1 - are performed on 900㎝ -1 spectral region. Areas of squamous cell carcinoma, adenocarcinoma, small cell carcinoma and various reverse desmoplastic tissue responses are shown. Otherwise, this process may be replaced with a supervisory algorithm such as ANN.

위의 예시에서 제시된 결과는 원시 측정된 스펙트럼 데이터의 분석이 SCC 및 비-소세포암(non-small cell carcinoma: NSCC)의 차별화를 가능하도록 하는 것을 보인다. 상기 원시 측정된 스펙트럼이 산란 기여에 대해 보정된 후, 본 발명의 측면에 의한 방법에 따른 선암 및 편평상피암인 NSCC의 두 하위 유형은 명확하게 구분된다. 따라서, 이러한 예시들은 이 스펙트럼 이미징 방법이 폐암의 세 가지 주요 유형을 식별하고 정확하게 분류하기 위해 사용될 수 있다는 강력한 증거를 제공한다.The results presented in the examples above show that analysis of raw measured spectral data enables differentiation of SCC and non-small cell carcinoma (NSCC). After the raw measured spectrum is corrected for scattering contribution, the two subtypes of NSCC, adenocarcinoma and squamous cell carcinoma according to the method according to the aspect of the present invention, are clearly distinguished. Thus, these examples provide strong evidence that this spectral imaging method can be used to identify and accurately classify three major types of lung cancer.

도 22는 본 발명의 측면에 따른 이미지 등록 및 훈련 등의 방법과 함께 사용할 수 있는 컴퓨터 시스템(100) 예시의 다양한 특징을 보여준다. 도 22에서 보여지듯이, 상기 컴퓨터 시스템(100)은 개인용 컴퓨터(personal computer: PC), 미니컴퓨터(minicomputer), 메인프레임 컴퓨터(mainframe computer), 마이크로컴퓨터(microcomputer), 전화 기기(telephone device), PDA(personal digital assistant) 또는 프로세서와 입력 기능을 갖는 다른 장치와 같은 터미널(102)을 통해 요청자(101)에 의해 사용될 수 있다. 서버 모듈은 예를 들어 PC, 미니컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 마이크로컴퓨터 또는 데이터의 프로세서와 저장소를 갖거나 데이터 저장소에 접근할 수 있는 다른 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 서버 모듈(106)은 진단에 사용하기 위해 질병 기반 데이터의 접근 가능한 저장소와 연결될 수 있다.22 illustrates various features of an example computer system 100 that may be used with methods such as image registration and training in accordance with aspects of the present invention. As shown in FIG. 22, the computer system 100 may be a personal computer (PC), a minicomputer, a mainframe computer, a microcomputer, a telephone device, a PDA. It may be used by the requestor 101 via a terminal 102, such as a personal digital assistant or other device with input capabilities. The server module may include, for example, a PC, minicomputer, mainframe computer, microcomputer, or other device having a processor and storage of data or having access to the data storage. For example, the server module 106 may be connected with an accessible repository of disease based data for use in diagnosis.

예를 들어 인터넷과 같은 네트워크(110)를 통해 진단과 관련된 정보는 분석가(101) 및 상기 서버 모듈(106) 사이에 전송될 수 있다. 예를 들어 유선(wired), 무선(wireless) 또는 광섬유 링크(fiberoptic links)와 같은 커플링(couplings)(111, 113)을 통해 통신이 이루어질 수 있다.For example, information related to the diagnosis may be transmitted between the analyst 101 and the server module 106 via a network 110 such as the Internet. Communication may be via, for example, couplings 111, 113, such as wired, wireless or fiberoptic links.

본 발명은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 구현될 수 있으며, 하나 이상의 컴퓨터 시스템 또는 다른 처리 시스템에 구현될 수 있다. 하나의 변화에서, 본 발명의 측면은 여기 설명된 기능을 수행할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 시스템을 알려준다. 이러한 컴퓨터 시스템(200)의 예시가 도 23에 보여진다.The invention may be implemented using hardware, software or a combination thereof, and may be implemented in one or more computer systems or other processing systems. In one variation, aspects of the present invention refer to one or more computer systems capable of performing the functions described herein. An example of such a computer system 200 is shown in FIG. 23.

컴퓨터 시스템(200)은 프로세서(204)와 같은 하나 이상의 처리장치를 포함한다. 상기 프로세서(204)는 통신 인프라(예를 들어, 통신 버스, 크로스-오버 바 또는 네트워크)(206)와 연결된다. 다양한 소프트웨어 측면이 이 모범적인 컴퓨터 시스템의 관점에서 설명된다. 이 설명을 읽은 후에는, 다른 컴퓨터 시스템 및/또는 아키텍처(architectures)를 사용하여 본 발명의 측면을 구현하는 방법이 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이다.Computer system 200 includes one or more processing devices, such as processor 204. The processor 204 is connected with a communication infrastructure (eg, communication bus, cross-over bar or network) 206. Various software aspects are described in terms of this exemplary computer system. After reading this description, it will be apparent to those skilled in the art how to implement aspects of the present invention using other computer systems and / or architectures.

컴퓨터 시스템(200)은 상기 디스플레이 유닛(230) 상에 표시하기 위해 그래픽, 텍스트 및 통신 인프라(206)(또는 도시되지 않은 프레임 버퍼(frame buffer))의 다른 데이터를 전달하는 디스플레이 인터페이스(202)를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(200)은 또한 메인 메모리(208), 바람직하게는 램(random access memory: RAM)을 포함하며, 2차 메모리(secondary memory)(210)도 포함할 수 있다. 상기 2차 메모리(210)는 예를 들어 플로피 디스크 드라이브(floppy disk drive), 자기 테이프 드라이브(magnetic tape drive), 광 디스크 드라이브(optical disk drive) 등으로 대표되는 하드 디스크 드라이브(212) 및/또는 이동식 저장 드라이브(removable storage drive)(214)를 포함할 수 있다. 상기 이동식 저장 드라이브(214)는 잘 알려진 방법으로 이동식 저장 유닛(218)으로부터 읽거나 및/또는 이동식 저장 유닛(218)에 기록한다. 이동식 저장 유닛(218)은 플로피 디스크, 자기 테이프, 광 디스크 등을 나타내며, 이는 이동식 저장 드라이브(214)로부터 읽히고 이동식 저장 드라이브(214)에 기록된다. 상기 이동식 저장 유닛(218)은 그 안에 저장된 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 데이터를 갖는 컴퓨터 사용 가능한 저장 매체를 포함하며, 이는 이후 유용할 것이다.The computer system 200 includes a display interface 202 for conveying graphics, text and other data in the communication infrastructure 206 (or frame buffer, not shown) for display on the display unit 230. It may include. Computer system 200 also includes main memory 208, preferably random access memory (RAM), and may also include secondary memory 210. The secondary memory 210 may be a hard disk drive 212 and / or represented by, for example, a floppy disk drive, a magnetic tape drive, an optical disk drive, or the like. It may include a removable storage drive 214. The removable storage drive 214 reads from and / or writes to the removable storage unit 218 in a well known manner. Removable storage unit 218 represents a floppy disk, magnetic tape, optical disk, and the like, which is read from and written to removable storage drive 214. The removable storage unit 218 includes a computer usable storage medium having computer software and / or data stored therein, which will be useful later.

대안적 변화에서, 2차 메모리(210)는 컴퓨터 시스템(200)에 로드되는 컴퓨터 프로그램 또는 다른 명령을 허용하도록 다른 유사 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 이러한 장치는 이동식 저장 유닛(222) 및 인터페이스(220)를 포함할 수 있다. 이러한 예시는 프로그램 카트리지 및 카트리지 인터페이스(비디오 게임 장치에서 발견되는 것과 같은), 이동식 메모리 칩(이피롬(EPROM) 또는 피롬(PROM)) 및 관련 소켓, 그리고 다른 이동식 저장 유닛(222) 및 인터페이스(220)를 포함할 수 있으며, 이는 소프트웨어 및 데이터가 이동식 저장 유닛(222)으로부터 컴퓨터 시스템(200)으로 전송될 수 있도록 한다.In alternative variations, secondary memory 210 may include other similar devices to permit computer programs or other instructions to be loaded into computer system 200. For example, such a device may include a removable storage unit 222 and an interface 220. Such examples include program cartridges and cartridge interfaces (such as those found in video game devices), removable memory chips (EPROM or PROM) and associated sockets, and other removable storage units 222 and interfaces 220. ), Which allows software and data to be transferred from the removable storage unit 222 to the computer system 200.

컴퓨터 시스템(200)은 통신 인터페이스(224)도 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(224)는 컴퓨터 시스템(200)과 외부 장치 사이에서 소프트웨어 및 데이터가 전송될 수 있도록 한다. 통신 인터페이스(224)의 예시는 모뎀, 네트워크 인터페이스(이더넷 카드(Ethernet card)와 같은), 통신 포트, 국제 개인용 컴퓨터 메모리 카드 협회(Personal Computer Memory Card International Association: PCMCIA) 슬롯과 카드 등을 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(224)를 통해 전송되는 소프트웨어와 데이터는 신호(228)의 형태이며, 이는 전자, 전자기, 광 또는 통신 인터페이스(224)에 의해 수신될 수 있는 다른 신호일 수 있다. 이러한 신호(228)는 통신 경로(226)(예를 들어, 채널)를 통해 통신 인터페이스(224)에 제공된다. 이 경로(226)는 신호(228)를 전달하며, 전선 또는 케이블, 광 섬유, 전화선, 무선 링크, 무선 주파수(RF) 링크 및/또는 다른 통신 채널을 이용하여 구현될 수 있다. 본 문서에서, 용어 "컴퓨터 프로그램 매체" 및 "컴퓨터 사용용 가능한 매체"는 이동식 저장 드라이브(214), 하드 디스크 드라이브에 설치된 하드 디스크(212) 및 신호(228)와 같은 미디어의 일반적인 참조에 사용된다. 이러한 컴퓨터 프로그램 제품은 상기 컴퓨터 시스템(200)에 소프트웨어를 제공한다. 본 발명의 측면은 이러한 컴퓨터 프로그램 제품을 알려준다.Computer system 200 may also include a communication interface 224. The communication interface 224 allows software and data to be transferred between the computer system 200 and the external device. Examples of communication interface 224 may include a modem, a network interface (such as an Ethernet card), a communication port, a Personal Computer Memory Card International Association (PCMCIA) slot and a card, and the like. have. Software and data transmitted over communication interface 224 are in the form of signals 228, which may be electronic, electromagnetic, optical or other signals that may be received by communication interface 224. This signal 228 is provided to the communication interface 224 via the communication path 226 (eg, channel). This path 226 carries the signal 228 and may be implemented using wires or cables, fiber optics, telephone lines, wireless links, radio frequency (RF) links, and / or other communication channels. In this document, the terms “computer program medium” and “computer usable medium” are used for general reference to media such as removable storage drive 214, hard disk 212 installed in hard disk drive, and signal 228. . This computer program product provides software to the computer system 200. Aspects of the present invention disclose such a computer program product.

컴퓨터 프로그램(컴퓨터 컨트롤 로직으로도 지칭된)은 메인 메모리(208) 및/또는 2차 메모리(210)에 저장된다. 컴퓨터 프로그램은 또한 통신 인터페이스(224)를 통해 수신될 수 있다. 여기 논의된 바와 같이 실행 시, 이러한 컴퓨터 프로그램은 상기 컴퓨터 시스템(200)이 본 발명의 측면에 따른 기능을 수행할 수 있도록 한다. 특히, 실행 시 상기 컴퓨터 프로그램은 프로세서(204)가 그러한 기능을 수행할 수 있도록 한다. 따라서, 이러한 컴퓨터 프로그램은 상기 컴퓨터 시스템(200)의 컨트롤러를 나타낸다.Computer programs (also referred to as computer control logic) are stored in main memory 208 and / or secondary memory 210. The computer program may also be received via the communication interface 224. When executed as discussed herein, such a computer program enables the computer system 200 to perform functions in accordance with aspects of the present invention. In particular, the computer program, when executed, allows the processor 204 to perform such functions. Thus, such a computer program represents a controller of the computer system 200.

본 발명의 측면이 소프트웨어를 사용하여 다양하게 구현되면서, 상기 소프트웨어는 이동식 저장 드라이브(214), 하드 드라이브(212) 또는 통신 인터페이스(224)의 사용으로 컴퓨터 프로그램 제품에 저장될 수 있고, 컴퓨터 시스템(200)에 로드될 수 있다. 상기 프로세서(204)에 의해 실행될 때, 상기 컨트롤 로직(소프트웨어)은 여기에 설명된 바와 같이 프로세서(204)가 기능을 수행하도록 한다. 또 다른 변화의 본 발명의 측면은 예를 들어 주문형 집적 회로(application specific integrated circuits: ASICs)와 같은 하드웨어 요소를 이용하여 주로 하드웨어에서 구현된다. 여기 설명된 기능을 수행하기 위한 하드웨어 상태 기계(hardware state machine)의 구현은 관련 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.While various aspects of the present invention may be implemented using software, the software may be stored in a computer program product using the use of a removable storage drive 214, a hard drive 212, or a communication interface 224, and the computer system ( 200). When executed by the processor 204, the control logic (software) causes the processor 204 to perform a function as described herein. Another aspect of the invention of the change is implemented primarily in hardware using hardware elements such as application specific integrated circuits (ASICs). Implementation of a hardware state machine to perform the functions described herein will be apparent to those of ordinary skill in the art.

또 다른 변형에서, 본 발명의 측면은 하드웨어 및 소프트웨어 모두의 조합을 이용하여 구현된다.In another variation, aspects of the invention are implemented using a combination of both hardware and software.

Claims (34)

생물 표본(biological specimens)의 스펙트럼 이미지(spectral image)를 획득하는 단계;
상기 생물 표본의 시각적 이미지(visual image)를 획득하는 단계; 및
상기 시각적 이미지 및 스펙트럼 이미지를 등록하는 단계; 를 포함하는 스펙트럼 이미징(spectral imaging)에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
Obtaining a spectral image of biological specimens;
Obtaining a visual image of the biological specimen; And
Registering the visual and spectral images; Method of analyzing a biological sample by spectral imaging comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 등록된 시각적 이미지 및 스펙트럼 이미지를 저장하는 단계; 를 더 포함하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 1,
Storing the registered visual and spectral images; Method of analyzing a biological specimen by spectral imaging further comprising.
제 1항에 있어서,
상기 생물 표본은 세포(cells) 또는 조직(tissue)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 1,
Wherein said biological sample comprises cells or tissue.
제 1항에 있어서 상기 생물 표본의 스펙트럼 이미지를 획득하는 단계는,
상기 생물 표본으로부터 스펙트럼 데이터를 획득하는 단계;
상기 스펙트럼 데이터의 사전 처리를 수행하는 단계;
상기 스펙트럼 데이터의 다변량 분석(multivariate analysis)을 수행하는 단계; 및
그레이스케일 또는 의사-색채(pseudo-color) 스펙트럼 이미지를 준비하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 1, wherein the obtaining of the spectral image of the biological specimen comprises:
Obtaining spectral data from the biological sample;
Performing preprocessing of the spectral data;
Performing a multivariate analysis of the spectral data; And
Preparing a grayscale or pseudo-color spectral image; Method of analyzing a biological sample by spectral imaging comprising a.
제 4항에 있어서 상기 생물 표본으로부터 스펙트럼 데이터를 획득하는 단계는,
상기 생물 표본에 적외선 분광법(infrared spectroscopy), 라만 분광법(Raman spectroscopy), 가시(visible), 테라헤르츠(terahertz) 또는 형광 분광법(fluorescence spectroscopy)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 4, wherein obtaining spectral data from the biological sample comprises:
Performing infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, visible, terahertz, or fluorescence spectroscopy on the biological specimen. How to analyze a biological sample.
제 4항에 있어서 상기 생물 표본으로부터 스펙트럼 데이터를 획득하는 단계는,
상기 생물 표본에 적외선 분광법을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 4, wherein obtaining spectral data from the biological sample comprises:
And performing infrared spectroscopy on the biological sample.
제 4항에 있어서 상기 스펙트럼 데이터의 사전 처리는,
스펙트럼 범위를 선택하는 단계;
2차 파생물을 계산하는 단계;
역 푸리에 변환(reverse Fourier transformation)을 수행하는 단계;
영-충전(zero-filling) 및 역 푸리에 변환을 수행하는 단계; 및
위상(phase) 보정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The preprocessing of the spectral data according to claim 4,
Selecting a spectral range;
Calculating a secondary derivative;
Performing a Reverse Fourier transformation;
Performing zero-filling and inverse Fourier transform; And
Performing phase correction; Method of analyzing a biological sample by spectral imaging comprising a.
제 4항에 있어서 상기 스펙트럼 데이터의 사전 처리는,
상기 스펙트럼 데이터를 바이너리 마스크(binary mask)에 종속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The preprocessing of the spectral data according to claim 4,
Subjecting the spectral data to a binary mask.
제 4항에 있어서 상기 스펙트럼 데이터의 다변량 분석은,
무감독 분석(unsupervised analysis)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The multivariate analysis of the spectral data according to claim 4,
A method of analyzing a biological specimen by spectral imaging, comprising performing an unsupervised analysis.
제 9항에 있어서 상기 무감독 분석을 수행하는 단계는,
위계적 군집 분석(hierarchical cluster analysis: HCA) 또는 주성분 분석(principal component analysis: PCA)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 9, wherein performing the unsupervised analysis comprises:
A method of analyzing a biological sample by spectral imaging, comprising performing hierarchical cluster analysis (HCA) or principal component analysis (PCA).
제 4항에 있어서 상기 스펙트럼 데이터의 다변량 분석은,
감독 알고리즘(supervised algorithm)을 통해 상기 데이터의 분석을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The multivariate analysis of the spectral data according to claim 4,
A method of analyzing a biological specimen by spectral imaging, comprising performing an analysis of said data via a supervised algorithm.
제 11항에 있어서 상기 감독 알고리즘을 통해 상기 데이터의 분석을 수행하는 단계는,
인공 신경망(artificial neural networks: ANNs), 계층형 인공 신경망(hierarchical artificial neural networks: hANN), 지원 벡터 기계(support vector machines: SVM) 및 랜덤 포레스트 알고리즘(random forest algorithms)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 기계 학습 알고리즘(machine learning algorithm)을 통해 상기 데이터의 분석을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 11, wherein performing the analysis of the data through the supervisory algorithm,
Machine learning algorithms selected from the group consisting of artificial neural networks (ANNs), hierarchical artificial neural networks (hANN), support vector machines (SVM), and random forest algorithms and analyzing the data via a machine learning algorithm.
제 1항에 있어서 상기 생물 표본의 시각적 이미지를 획득하는 단계는,
상기 생물 표본의 디지털 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 1, wherein the obtaining of the visual image of the biological specimen comprises:
Obtaining a digital image of the biological sample.
제 2항에 있어서 상기 시각적 이미지 및 스펙트럼 이미지를 등록하는 단계는,
상기 스펙트럼 이미지 및 시각적 이미지에 대응하는 컨트롤 포인트를 정렬하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 2, wherein registering the visual image and the spectral image comprises:
Aligning control points corresponding to the spectral image and the visual image.
제 1항에 있어서,
의료 진단(medical diagnosis)을 제공하는 단계를 더 포함하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 1,
A method of analyzing a biological sample by spectral imaging, further comprising providing a medical diagnosis.
제 15항에 있어서 상기 의료 진단을 제공하는 단계는,
스펙트럼 이미지의 선택 영역을 획득하는 단계;
상기 선택 영역의 데이터를 질병 또는 상태에 관련된 저장소(repository)의 데이터와 비교하는 단계;
상기 저장소의 데이터 및 선택 영역의 데이터 간의 상관관계를 결정하는 단계; 및
상기 결정과 관련된 진단을 출력하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
The method of claim 15, wherein providing the medical diagnosis comprises:
Obtaining a selected region of the spectral image;
Comparing the data in the selection region with data in a repository related to a disease or condition;
Determining a correlation between data in the storage and data in a selection region; And
Outputting a diagnosis associated with the determination; Method of analyzing a biological sample by spectral imaging comprising a.
제 16항에 있어서,
상기 저장소의 데이터는 복수의 이미지를 위해 획득되며, 그리고
상기 저장소의 각각의 복수의 이미지는 질병 또는 상태에 관련되는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 이미징에 의해 생물 표본을 분석하는 방법.
17. The method of claim 16,
Data in the storage is obtained for a plurality of images, and
Wherein each of the plurality of images of the reservoir is related to a disease or condition.
질병 또는 상태를 표시하는 시각적 이미지의 영역을 식별하는 단계;
상기 시각적 이미지의 영역을 상기 영역에 대응하는 스펙트럼 데이터에 연결하는 단계; 및
상기 스펙트럼 데이터와 해당 질병 또는 상태 간의 연결을 저장하는 단계; 를 포함하는 데이터 저장소를 개발하는 방법.
Identifying an area of the visual image indicating the disease or condition;
Connecting an area of the visual image to spectral data corresponding to the area; And
Storing a link between the spectral data and the disease or condition in question; How to develop a data store that includes.
생물 표본에 대한 분광 데이터(spectroscopic data)를 획득하는 단계;
상기 생물 표본에 대한 분광 데이터를 질병 또는 상태에 관련된 저장소의 데이터와 비교하는 단계;
상기 저장소의 데이터 및 생물 표본에 대한 분광 데이터 간의 상관관계를 결정하는 단계; 및
상기 결정과 관련된 진단을 출력하는 단계; 를 포함하는 의료 진단을 제공하는 방법.
Obtaining spectroscopic data for the biological sample;
Comparing the spectral data for the biological sample with data in a reservoir related to a disease or condition;
Determining a correlation between data in the reservoir and spectral data for a biological sample; And
Outputting a diagnosis associated with the determination; Method for providing a medical diagnosis comprising a.
제 19항에 있어서,
상기 저장소의 데이터는 복수의 이미지로부터 획득되며, 그리고
상기 저장소의 각각의 복수의 이미지는 질병 또는 상태에 관련되는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 방법.
20. The method of claim 19,
Data in the storage is obtained from a plurality of images, and
Wherein each of the plurality of images of the reservoir is related to a disease or condition.
제 19항에 있어서 상기 진단을 출력하는 단계는,
컴퓨터 스크린에 상기 진단을 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 방법.
The method of claim 19, wherein the outputting the diagnosis,
Displaying the diagnosis on a computer screen.
제 19항에 있어서 상기 진단을 출력하는 단계는,
상기 진단을 전자적으로 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 방법.
The method of claim 19, wherein the outputting the diagnosis,
Electronically storing the diagnosis.
프로세서;
상기 프로세서를 통해 기능하는 사용자 인터페이스; 및
상기 프로세서에 의해 접근 가능한 저장소; 를 포함하며,
생물 표본의 분광 데이터가 얻어지고,
상기 생물 표본의 분광 데이터는 질병 또는 상태에 관련된 저장소의 데이터와 비교되며,
상기 저장소의 데이터 및 생물 표본에 대한 분광 데이터 간의 상관관계가 결정되고, 그리고
상기 결정과 관련된 진단을 출력하는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
A processor;
A user interface functioning through the processor; And
Storage accessible by the processor; Including;
The spectral data of the biological specimen is obtained,
The spectral data of the biological sample is compared with the data from the reservoir related to the disease or condition,
A correlation between the data in the reservoir and the spectral data for the biological sample is determined, and
And output a diagnosis associated with the determination.
제 23항에 있어서,
상기 프로세서는 단말기 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
24. The method of claim 23,
And the processor is located on a terminal.
제 24항에 있어서,
상기 단말기는 개인용 컴퓨터(personal computer), 미니컴퓨터(minicomputer), 메인 프레임 컴퓨터(main frame computer), 마이크로컴퓨터(microcomputer), 휴대용 기기(hand held device) 및 전화 기기(telephonic device)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
25. The method of claim 24,
The terminal is from a group consisting of a personal computer, a minicomputer, a main frame computer, a microcomputer, a hand held device and a telephonic device. A system for providing a medical diagnosis, characterized in that selected.
제 23항에 있어서,
상기 프로세서는 서버 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
24. The method of claim 23,
And the processor is located on a server.
제 26항에 있어서,
상기 서버는 개인용 컴퓨터, 미니컴퓨터, 마이크로컴퓨터 및 메인 프레임 컴퓨터로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
27. The method of claim 26,
And wherein said server is selected from the group consisting of personal computer, minicomputer, microcomputer and mainframe computer.
제 26항에 있어서,
상기 서버는 네트워크에 연결되는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
27. The method of claim 26,
The server is connected to a network.
제 28항에 있어서,
상기 네트워크는 인터넷인 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
29. The method of claim 28,
And said network is the Internet.
제 28항에 있어서,
상기 서버는 커플링을 통해 상기 네트워크에 연결되는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
29. The method of claim 28,
And the server is coupled to the network via a coupling.
제 30항에 있어서,
상기 커플링은 유선 연결, 무선 연결 및 광섬유 연결로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
31. The method of claim 30,
The coupling is selected from the group consisting of a wired connection, a wireless connection and a fiber optic connection.
제 23항에 있어서,
상기 저장소는 서버 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
24. The method of claim 23,
And the repository is located on a server.
제 32항에 있어서,
상기 서버는 네트워크에 연결되는 것을 특징으로 하는 의료 진단을 제공하는 시스템.
The method of claim 32,
The server is connected to a network.
컴퓨터가 의료 진단을 제공하도록 컨트롤 로직을 그 안에 저장시키는 컴퓨터 사용 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품, 상기 컨트롤 로직은 다음을 포함한다:
생물 표본에 대한 분광 데이터를 획득하기 위한 첫 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드(computer readable program code);
상기 생물 표본에 대한 분광 데이터를 질병 또는 상태와 관련된 저장소의 데이터와 비교하기 위한 두 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드;
상기 저장소의 데이터 및 생물 표본에 대한 분광 데이터 간의 상관관계를 결정하기 위한 세 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드; 및
상기 결정과 관련된 진단을 출력하기 위한 네 번째 컴퓨터 가독 프로그램 코드.
A computer program product comprising a computer-used medium for storing control logic therein to cause a computer to provide a medical diagnosis, the control logic including:
First computer readable program code for obtaining spectroscopic data on the biological sample;
Second computer readable program code for comparing spectral data for the biological sample with data in a reservoir associated with the disease or condition;
Third computer readable program code for determining a correlation between data in said reservoir and spectral data for a biological sample; And
Fourth computer readable program code for outputting a diagnosis related to the determination.
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