综述：人工智能助力拉曼实现肿瘤精准诊断

研究背景

      肿瘤，是一种严重威胁我国居民生命健康的重大疾病。该疾病的发展是一个极其复杂变化过程，在发生癌变过程中组织内部的各种生物分子的含量、结构、形态都会发生变化。拉曼光谱是一种具有高特异性的无标记光学技术，该技术可以通过拉曼特征峰的强度和/或位置等信息来分析待测物质。由于正常组织与癌变组织在形态和成分上存在差异性，拉曼光谱技术在肿瘤组织的良恶性判断上有很大的应用空间。拉曼成像技术是通过光与物质的相互作用来研究分子的结构和动态特性，其可以应用于肿瘤组织的快速成像，从而根据成像结果的形态和颜色变化来诊断肿瘤的类型和亚型。

      近年来，人工智能因其优秀的分类准确率和出色的挖掘数据之间联系的能力，在光谱分类及图像处理等领域得到了重要应用。随着学科交叉融合发展，基于人工智能的拉曼光谱用于肿瘤精准诊断得到了飞速发展，取得了一系列成果。

论文导读

      近日，清华大学刘宇宏团队对拉曼光谱在肿瘤诊断上的应用研究发展状况进行了综述。分别介绍了从单点采集（常规拉曼光谱、表面增强拉曼光谱）到拉曼成像的三种技术方法，并分析了这些技术方法在肿瘤诊断上的应用过程。同时，重点介绍了这些方法中利用人工智能实现肿瘤精准诊断的应用新动态。该综述以“Recent Application of Raman Spectroscopy in Tumor Diagnosis: From Conventional Methods to Artificial Intelligence Fusion”为题，发表于光学领域权威期刊 PhotoniX。该论文第一作者为清华大学祁亚峰博士，通讯作者为清华大学刘宇宏副教授。

主要研究内容

      鉴于不同的拉曼技术在肿瘤诊断领域具有广泛的应用空间，文章综述了2020--2022年拉曼技术在肿瘤诊断领域应用的最新研究进展，从基于拉曼光谱的肿瘤诊断、基于表面增强拉曼光谱（SERS）的肿瘤诊断、基于拉曼成像的肿瘤诊断三个方面进行梳理(图1)，介绍了这三种拉曼技术的肿瘤诊断常规流程：1）样品准备；2）数据采集；3）数据处理与分析。对于样品准备，从组织、细胞、体液等不同样品来源进行了介绍，特别针对SERS技术，对纳米增强基底进行了介绍。对于数据采集部分，介绍了一些新型的用于数据采集的拉曼设备。对于数据处理与分析，从处理步骤、优势、局限性和可适用范围四个维度对比分析了常用的多变量统计分析方法和人工智能方法，为研究者们选择何种数据分析方法提供参考。此外，还重点介绍了利用人工智能来实现基于拉曼光谱、SERS和拉曼成像的肿瘤诊断应用情况。最后，从样品收集、数据采集、数据处理和临床应用四个角度对比分析了基于拉曼光谱、SERS和拉曼成像的肿瘤诊断的差异性，并展望了基于上述三种拉曼技术的肿瘤诊断应用存在的挑战及未来研究方向，特别是如何应用人工智能来提高诊断效果。

观点评述

      人工智能在数据处理上具有大规模快速分析的优势，其数据可来源于一维数据（如拉曼光谱），二维数据（如拉曼成像图、拉曼编码图）等，将这些拉曼数据载入到人工智能模型中，可实现高准确率肿瘤诊断，为基于拉曼技术的肿瘤诊断方法提出了新的途径。该综述系统性地总结了常规方法与人工智能方法在利用拉曼技术实现肿瘤精准诊断上的应用，从常规的拉曼光谱，表面增强拉曼光谱和拉曼成像展开了介绍，并相信人工智能必将更深入推动对肿瘤精准诊断的发展。特别是人工智能与拉曼成像的结合存在取代病理学家诊断过程的可能性，这将极大地促进肿瘤智能诊断的医学发展。

主要作者

      祁亚峰，本文第一作者，2023年6月于清华大学获工学博士学位，现为北京大学未来技术学院博士后，主要从事生物医学光子学方面研究，近年来以第一作者在PhotoniX，Analytical Chemistry等期刊发表文章5篇。

      刘宇宏，本文通讯作者，清华大学机械工程系长聘副教授。2005年于中科院化学所取得博士学位，2006年6月起就职于清华大学。目前主要研究领域为：水基润滑/超滑，纳米制造，生物医学光子学。在相关领域发表SCI论文130余篇，包括以通讯作者发表的Nano Today、ACS Nano、PhotoniX、Green Chemistry、Analytical Chemistry等。曾获国家自然科学基金委“优秀青年”项目，北京市自然科学奖二等奖。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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