Abstract

We describe an optical processing method for characterizing tissue pathology that is based on principal-component analysis of light-induced autofluorescence. A set of optical spectral filters, which are related to the principal-component loading vectors, is designed to process the autofluorescence signal optically and to generate principal-component scores from the autofluorescence spectra. The scores are then correlated with the tissue pathology. An optical processing system is designed that uses the in vivo fluorescence spectra recorded from nasopharyngeal tissues. We demonstrate that the system can differentiate nasopharyngeal carcinoma from normal tissue with a high degree of sensitivity and specificity and that the optical filters used in the system can be manufactured.

© 2001 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
    [CrossRef]
  3. Z. Ge, C. W. Brown, and H. J. Kisner, Appl. Spectrosc. 49, 432 (1995).
    [CrossRef]
  4. G. Deinum, D. Rodriguez, T. J. Romer, M. Fitzmaurice, J. R. Kramer, and M. S. Feld, Appl. Spectrosc. 53, 938 (1999).
    [CrossRef]
  5. C. A. Drumm and M. D. Morris, Appl. Spectrosc. 49, 1331 (1995).
    [CrossRef]
  6. J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
    [CrossRef]
  7. S. Andersson-Engels, J. Johansson, and S. Svanberg, Appl. Opt. 33, 8022 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]

2000 (1)

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

1999 (1)

1996 (1)

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

1995 (2)

1994 (1)

1989 (1)

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Andersson-Engels, S.

Atkinson, N.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Brown, C. W.

Deckelbaum, L. I.

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Deinum, G.

Drumm, C. A.

Feld, M. S.

Fitzmaurice, M.

Ge, Z.

Gindi, G. R.

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Gmitro, A. F.

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Gutruzzola, F. W.

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Ho, W. K.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Huang, Z. J.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Johansson, J.

Kisner, H. J.

Kramer, J. R.

Kwong, D. R.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Laifer, L. I.

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Lee, S. L.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Mahadevan, A.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Malpica, A.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Mitchell, M. F.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Morris, M. D.

O’Brien, K. M.

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Qu, J. Y.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Ramanujam, N.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Richards-Kortum, R.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Rodriguez, D.

Romer, T. J.

Sham, J.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Stetz, M. L.

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Svanberg, S.

Thomsen, S.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Wei, W. I.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Wright, T.

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

Yuen, W. P.

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Appl. Opt. (1)

Appl. Spectrosc. (3)

IEEE Trans. Biomed. Eng. (1)

K. M. O’Brien, A. F. Gmitro, G. R. Gindi, M. L. Stetz, F. W. Gutruzzola, L. I. Laifer, and L. I. Deckelbaum, IEEE Trans. Biomed. Eng. 36, 424 (1989).
[CrossRef] [PubMed]

Lasers Surg. Med. (2)

N. Ramanujam, M. F. Mitchell, A. Mahadevan, S. Thomsen, A. Malpica, T. Wright, N. Atkinson, and R. Richards-Kortum, Lasers Surg. Med. 19, 46 (1996).
[CrossRef]

J. Y. Qu, W. P. Yuen, Z. J. Huang, D. R. Kwong, J. Sham, S. L. Lee, W. K. Ho, and W. I. Wei, Lasers Surg. Med. 26, 432 (2000).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Typical raw fluorescence spectra of normal tissue (left) and carcinoma (right).

Fig. 2
Fig. 2

Spectra of PC1 and PC2.

Fig. 3
Fig. 3

Transmissions of PC1 and PC2 filters. Solid curves, designed optical filters; dotted curves, calculated filters; dashed curves (barely perceptible), differential transmissions between optical and calculated filters.

Fig. 4
Fig. 4

Plots of the scores of PC1 and PC2 for normal tissue (squares) and carcinoma (circles). Solid line, algorithm classifying the spectra of carcinoma with a sensitivity of 95% and a specificity of 93%.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Correlation of Sensitivity SE and Specificity SP for Three Diagnostic Lines

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Ci=FiλSλdλ,
Ii=1αiFiλSλdλ-βiαiSλdλ.
Ii=1αiFiλSλdλSλdλ-βi.

Metrics