骨关节炎是由多种因素引起的慢性退行性关节疾病, 严重影响患者的肢体功能和日常生活, 是影响人类健康最常见的关节疾患之一。 当骨关节炎发展到一定程度时, 形成不可逆疾病。 因此, 骨关节炎的及时检测和诊断是至关重要的。 拉曼光谱在分子水平上显示出微创、 无标记和客观诊断的潜力, 因此越来越多的被用于骨关节炎的研究。 在目前本领域流行研究的基础上综述了拉曼光谱在关节软骨和骨关节炎研究中的创新性研究成果和进展, 并简要分析了目前国内外拉曼光谱技术应用的部分局限性以及未来的发展方向。 全文所述分别基于不同拉曼测量模式即宏观拉曼、 显微拉曼、 光纤拉曼三种拉曼光谱技术, 检测在骨关节炎发展中关节软骨等组织中的细胞外基质、 细胞周围基质、 以及软骨细胞中蛋白质、 脂质、 核酸成分等的变化, 甚至关联的软骨下骨和滑液的主要成分变化及其对应的部分骨关节炎特征或生理功能的变化。 该综述表明拉曼光谱检测骨关节炎组织成分变化的有效性和可行性, 可为骨关节炎的后续研究提供参考。 另一方面, 拉曼光谱技术诸多的检测和诊断优势, 特别是不受水影响的特征, 使其非常有潜力发展为本领域临床早期诊断和康复监测的有力的分子光谱技术和临床工具。

为探讨原位条件下关节软骨及下骨组织成分含量变化等深层次微观信息， 采用拉曼光谱技术结合组织光透明技术来研究软骨组织的光透明效果。 选用甘油、 碘海醇作为光透明剂， 对在不同光透明剂浓度和浸渍时间下的犬膝关节股骨端软骨样本进行拉曼光谱采集。 通过计算磷酸基团(920~960 cm-1 ) 和酰胺Ⅰ带(1 595~1 700 cm-1)的积分强度， 获得拉曼强度比（磷酸基团/酰胺Ⅰ）， 探索在不同浸渍时间（10~60 min）、 不同浓度下（甘油40%， 60%， 80%和100%， 碘海醇50， 150， 250和350 mg·mL-1）组织光透明的规律， 即寻找合适的透明浓度和透明时间。 结果显示： 相比于无透明剂情形， 两种透明剂均使该强度比信号增强。 在同一时间范围内， 甘油和碘海醇分别在60%和150 mg·mL-1 浓度下能获得较好的透明效果； 而在不同浓度下， 甘油的透明效果均在20 min最强， 而碘海醇的透明效果一般是在50 min后开始增强。 在光透明剂的作用下激发光透过软骨可以直接探测到软骨下骨的拉曼光谱信息， 这为研究骨关节炎深层次病因提供了方法和思路。

搭建了可用于生物医学检测的小型近红外拉曼光谱仪。 通过理论计算, 几何光路设计, 完成了系统组装。 有别于传统反射式准直结构: (1)本光谱仪色散系统采用透射式准直的方法, 将散射光投射到光栅上进行色散； (2)经二向色镜分光, 采用物镜对入射光会聚和散射光收集, 设计了与色散系统入射狭缝相匹配(共焦面)的外光路系统, 进而有效收集拉曼信号和去除杂散光； (3)实现了高分辨率(3 cm-1)、 高重复性和高灵敏度光谱检测, 检测范围500~2 200 cm-1(785 nm激发)； (4)小型化设计, 整个系统尺寸约240 mm×200 mm×130 mm, 自由度高。 将此自开发小型拉曼光谱仪应用于葡萄糖和膝关节软骨的拉曼光谱测试, 获得了与大型商业拉曼光谱仪相媲美的结果, 验证了该光谱仪具有高分辨率, 高重复性和高灵敏度的优越性能, 可灵活地应用于生物医学等多领域的研究。

Two discriminant methods, partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA) and Fisher's discriminant analysis (FDA), were combined with Fourier transform infrared imaging (FTIRI) to differentiate healthy and osteoarthritic articular cartilage in a canine model. Osteoarthritic cartilage had been developed for up to two years after the anterior cruciate ligament (ACL) transection in one knee. Cartilage specimens were sectioned into 10 μm thickness for FTIRI. A PLS-DA model was developed after spectral pre-processing. All IR spectra extracted from FTIR images were calculated by PLS-DA with the discriminant accuracy of 90%. Prior to FDA, principal component analysis (PCA) was performed to decompose the IR spectral matrix into informative principal component matrices. Based on the di?erent discriminant mechanism, the discriminant accuracy (96%) of PCA-FDA with high convenience was higher than that of PLSDA. No healthy cartilage sample was mis-assigned by these two methods. The above mentioned suggested that both integrated technologies of FTIRI-PLS-DA and, especially, FTIRI-PCA-FDA could become a promising tool for the discrimination of healthy and osteoarthritic cartilage specimen as well as the diagnosis of cartilage lesion at microscopic level. The results of the study would be helpful for better understanding the pathology of osteoarthritics.

线性偏振光在显微物镜焦斑处入射, 与径向偏振光相干叠加产生三维偏振光场, 通过调节两束光光强比率和入射线偏振光偏振方向实现聚焦光场任意三维偏振方向的控制.基于矢量光场衍射理论建立了仿真计算模型, 对所提三维偏振方向控制方法的可行性进行理论验证和实验评估.构建实际控制光路并进行初步测试, 实验结果表明了该方法的可行性, 且相比于其他三维偏振控制方法, 本文所提方法和其控制光路更为简单易实现.

福尔马林溶液对于固化关节软骨组织、 防止在长时间测量过程中组织的分解退化起到很好的作用, 但对福尔马林溶液浸泡后软骨组织的结构变化(固化)过程及其胶原纤维各向异性的改变却鲜有研究。 采用傅里叶变换红外光谱显微成像技术与偏振技术相结合的方法, 通过关节软骨内胶原纤维(蛋白)的红外光谱特征吸收峰(Amide Ⅰ, Amide Ⅱ带)的吸光度随福尔马林溶液浸泡时间及偏光角度的变化来研究福尔马林溶液对软骨组织结构即胶原纤维各向异性的影响, 并利用与各向异性方程拟合得到的决定系数(R2)对胶原蛋白纤维各向异性程度进行表征。 研究发现, 关节软骨Amide Ⅰ和Amide Ⅱ带的各向异性随着福尔马林浸泡时间的增长而愈加明显(Amide Ⅰ带变化尤为明显), 说明福尔马林溶液中甲醛分子诱发了胶原蛋白分子新的交联, 最终获得较好的固化效果, 有利于关节软骨的各向异性分析。 本研究将为今后关节软骨样本的制备、 储存及各向异性研究提供参考。

本文采用不同方法对来自正常和病变关节软骨样本的红外光谱进行预处理,而后利用主成分分析对关节软骨进行鉴别分析。首先对关节软骨切片实现傅里叶变换红外光谱采集,其次分别采用基线校准、标准化、多元散射校正和标准正态变量变换对软骨的红外光谱进行预处理,然后对原始光谱（矩阵）以及预处理光谱进行主成分分析,根据得分矩阵对样本进行分类分析。结果表明: 预处理方法结合主成分分析可以更好地对正常和病变关节软骨样本进行分类,而且多种预处理方法的结合可以更好地增强样本间的区分度。另外,针对关节软骨样本,多元散射校正比标准正态变量变换具有更好的增强效果。

基于关节软骨组织中胶原蛋白的自发荧光特性,对软骨组织的荧光显微检测方法进行研究。首先基于荧光图像的统计处理,揭示健康样本与病变样本的差异。其次基于荧光的偏振敏感特性,利用线性二色性方法揭示了软骨组织存在的荧光各向异性特性,为利用荧光各向异性方法研究生物组织结构奠定基础。与传统的显微方法检测软骨组织的形态和超结构相比,利用荧光特性的荧光显微检测方法具有获取软骨组织结构的能力。本文的研究结果为开辟新的骨关节疾病诊断方法提供基础。