胃肠道癌症是全球主要的健康挑战和致死原因之一，早期检测和治疗对提高生存率至关重要。早期癌症通常表现出异常的细胞核形态，如增大和拥挤的上皮细胞核，这被认为是癌症诊断的金标准。鉴于此，西安交通大学物理学院空间光学研究所的穆廷魁教授团队与西安交通大学第二附属医院消化内科秦斌医生合作，开发了快照式偏振散射光谱术（PLSS），这是一种非侵入式的光学诊断工具，能够获取常规白光内窥镜无法提供的上皮细胞核的尺寸形态信息，在早期癌症检测中至关重要。

在前期的研究中，合作团队首先提出了一种快照式单光路PLSS体外系统并验证了方法的可行性（Journal of Biophotonics14, e202100140, 2021，内封面论文），随后又提出了一种数据驱动的贝叶斯神经网络框架以加速早癌细胞核尺寸的反演（Optics and Lasers in Engineering160, 107298, 2023）。在前期研究基础上，本研究（Laser & Photonics Reviews, 2400486, 2024）首次推出一种新型的简洁快照式单光路PLSS内窥系统，仅由一束照明光纤光路和一束收集光纤光路组成。为在收集光路实现快照式测量，首次提出仅由单个多级延迟器和线偏振片组成的光谱调制模块，并将其集成在内窥镜的远端位置，以编码偏振散射光谱。随后，使用先验约束的压缩感知算法对调制光谱进行解码，进而从多次散射光谱中分离出单次散射光的Stokes光谱。解码后的Stokes光谱可用于迭代反演细胞核的尺寸分布，但是迭代过程比较耗时。为避免迭代问题，基于散射的Stokes光谱，研究团队又提出了一种新的癌症诊断指标——WSSL（Weight of single scattered light）。与传统的迭代方法相比，直接计算的WSSL省却了复杂的模型反演步骤，使得诊断更快、更准、更适用于临床环境。这一技术在一定程度上解决了传统PLSS内窥系统的问题，并为实现像素级的PLSS成像内窥镜技术带来了希望。

为了验证所提技术的性能，该研究对手术切除后的16个胃肠道组织进行了测试，并用WSSL参数对82个测试点进行了诊断。在正常组织(46个测试点)中，WSSL诊断结果与所有测试点的组织病理学结果一致，而在癌变组织(36测试点)中，WSSL诊断结果与33个部位的组织病理学结果一致，总准确率为96%，敏感性为91.7%（95%置信区间为76.4-97.8%），特异性为100%（95%置信区间为90.4-100%）。该系统的创新设计和WSSL诊断参数的引入，使得PLSS技术在临床应用中展现出潜在的实用性和高效性，为癌症的早期发现提供了新的手段和方法。

该研究成果以《快照式偏振散射光谱光纤内窥镜赋能早癌检测》（Snapshot Polarized Light Scattering Spectrometric Fiberscopy for Early Cancer Detection）为题在线发表于光学TOP期刊《Laser & Photonics Reviews》。西安交通大学物理学院博士生阿卜杜萨拉木‧图尼亚孜为论文第一作者，物理学院穆廷魁教授和西安交通大学第二附属医院秦斌医生为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西数理基础科学研究项目等支持。鉴于以上研究进展，合作团队最近受邀为国内知名光学期刊《红外与激光工程》撰写题为“计算散射光谱术赋能早癌检测研究进展”的综述论文，详述了基于上皮散射光的早癌诊断方法。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202400486

穆廷魁教授课题组链接：https://gr.xjtu.edu.cn/zh/web/tkmu