中科院宋一之：光谱仪器研究开展火热，临床应用还面临三大挑战

长期以来，我国实验室仪器及设备行业由于起步较晚，在研发技术、质量和规模等方面与国际巨头存在差距，特别是在高端分析仪器领域依赖进口程度较高。但近年来，随着国家政策的扶持和鼓励，国产实验室仪器及设备厂商正迎来前所未有的发展机遇，行业呈现快速增长趋势。

在临床实践中，光谱仪器已经展现出了广泛的应用潜力和价值。它不仅能够快速准确地检测生物样本中的特定成分，还能够监测疾病的进展和治疗效果，帮助医生提供决策支持，更精准地制定治疗方案。

2024年5月10日，在动脉网举办的VBEF未来医疗生态展会的实验室仪器及设备分论坛上，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员、国家重点研发计划首席科学家宋一之主题分享了《光谱仪器的临床应用进展与挑战》，以下为演讲内容整理。

光谱是复色光经过色散系统（如棱镜或光栅）分光后，被色散开的单色光按波长或频率大小依次排列的图案，其全称为光学频谱。我们关注的光谱波长范围通常是从紫外到可见，再到红外光区域。

按照与辐射相互作用的物质成分的不同，光谱分为分子光谱和原子光谱两大类，分子光谱包括吸收光谱、发射光谱、荧光光谱和散射光谱。

近年来，光谱技术在临床领域的研究开展如火如荼，相关研究文章数量呈指数级增长。在众多技术中，拉曼光谱和近红外光谱尤为受到关注。

近年来红外光谱在临床诊断中的应用发展较快，中科院田捷团队开发的集成的可见光和NIR-I/II多光谱成像仪器，首次实现肝癌在体NIR-II区成像。NIR-II在成像清晰度、操作简便度及肿瘤检出度等多个方面均具有优势。

拉曼光谱作为一种散射光谱，能够反映细胞中的糖、脂、蛋白、核酸等众多化学指纹信息，结合同位素标记反映代谢状态与功能。同时，拉曼光谱适用于无损/低损检测，可以实现原位和实时检测，在临床诊断中具有重要价值。

我们团队研发的显微共聚焦拉曼光谱仪，结合CT结构的单色仪和共聚焦系统，可实现高光谱学分辨率的荧光谱采集，以及层扫空间分辨率的检测。该技术在肿瘤组织检测、无创血糖监测方面显示出巨大潜力。团队也高度关注该技术在病原微生物检测中的应用。

微生物耐药是目前全球公共健康领域面临的重大挑战。根据WHO预测，抗生素耐药相关死亡已成为仅次于缺血性心脏病和中风的全球第三大死亡病因。抗生素耐药对日益严重的感染的预防和治疗产生最大威胁，“超级细菌”将不再是科幻情节。

目前病原微生物的临床检验金标准流程，还大量依赖于病原微生物的培养、增殖，整个过程需要3-7天，但是重症患者可能一天都等不了。

通过病原菌免培养拉曼鉴定药敏分析技术，我们从鉴定和药敏两个环节切入，建立了拉曼光谱的数据库，并应用机器学习或者深度学习的识别算法，实现快速鉴定病原体以及判断抗生素有效性的能力，希望缩短临床检测时间。

尽管光谱技术在临床领域的研究取得了显著进展，但真正应用于临床的产品仍然有限。科学仪器应用于临床还面临诸多挑战。

一是仪器的重复性和可靠性。科研仪器对于重复性和可靠性的要求通常不如临床严格。但在临床环境中，这些指标至关重要。许多企业在面对临床需求时，可能还没有做好充分的准备，因此需要进一步提高仪器的可靠性。

二是自动化程度。科研仪器的自动化程度往往没有达到临床使用的标准。例如，过去我在使用某个仪器时，需要操作三个不同的软件来分别控制光源、探测器和计时器。这种情况对于科研人员来说或许可以接受，但对于临床人员来说则是不可行的。我们的光谱仪器可以自动识别细胞位置、自动采集光谱和自动分析，这对于临床应用至关重要。

三是数据标准化。光谱类仪器的灵敏度非常高，分辨率可能达到零点几纳米甚至更高，任何微小的波动都可能导致错误的判断结果。目前，我们正致力于如何将不同实验室、不同厂家的设备数据进行标准化，以确保在临床上能够得出可靠的结果。

为了克服这些挑战，我们需要进一步提高仪器的可靠性，实现高度自动化，并解决数据标准化问题。

未来，期待光谱仪器能在临床上取得更大突破，为医疗诊断提供更准确的工具，造福更多患者。