高光譜成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方向的新應(yīng)用

1.   什么是高光譜成像技術(shù)        

       高光譜成像技術(shù)（HSI）是一種結(jié)合成像和光譜的混合模式，通過在二維檢測(cè)器陣列的每個(gè)像素處收集光譜信息，產(chǎn)生空間和光譜信息的三維數(shù)據(jù)集。

        根據(jù)空間成像方式的不同，成像光譜儀主要分為擺掃式成像光譜儀、推掃式成像光譜儀和凝視式成像光譜儀。擺掃式成像光譜儀采用線陣探測(cè)器同時(shí)獲取瞬時(shí)視場(chǎng)像素的所有光譜維信息，由掃描鏡的左右擺動(dòng)掃描與平臺(tái)的沿軌道運(yùn)動(dòng)共同完成二維空間成像。這種逐像素成像的方式具有總視場(chǎng)范圍廣、光譜數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是由于采用光機(jī)掃描，每個(gè)像元的凝視時(shí)間相對(duì)較短，嚴(yán)重制約著光譜和空間分辨率及信噪比。推掃式成像光譜儀采用面陣探測(cè)器同時(shí)獲取待測(cè)物空間一個(gè)成像行中每個(gè)空間像素的所有光譜維信息，通過平臺(tái)沿軌道推掃實(shí)現(xiàn)列方向的空間成像。這種方法是逐行獲取數(shù)據(jù)的，凝視時(shí)間大大增加，能夠獲得更高的系統(tǒng)靈敏度和數(shù)據(jù)信噪比，不足之處是由于探測(cè)器器件尺寸和光學(xué)設(shè)計(jì)較困難，無法獲得較大的總視場(chǎng)角。凝視型式成像光譜儀利用面陣探測(cè)器依次記錄二維空間各個(gè)波段的圖像數(shù)據(jù)。這種成像系統(tǒng)自身沒有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)較為緊湊，但由于采用逐個(gè)波段依次獲取數(shù)據(jù)的方式，要想獲得像素的全部光譜信息需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此不適宜測(cè)量快速變化的目標(biāo)，且光譜分辨率比較低，無法滿足精細(xì)光譜探測(cè)的要求。

圖1  推掃式高光譜成像系統(tǒng)

2.   高光譜成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用       

      參閱近十年來的文獻(xiàn)可知，作為一種新型的、非接觸式的光學(xué)診斷技術(shù)，HSI通過光譜圖像信息為臨床醫(yī)學(xué)提供了一種有效的輔助診斷手段，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

       HSI能夠同時(shí)獲取待測(cè)物體的圖像信息和光譜信息，具有圖譜合一的優(yōu)勢(shì)。利用 HSI對(duì)組織進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，光能夠穿透生物組織一定的厚度。由于生物組織結(jié)構(gòu)的不均一性，光在各個(gè)方向發(fā)生散射，而血紅蛋白、黑色素和水會(huì)吸收不同波長(zhǎng)的光，因此，不同組織或器官的反射光譜取決于自身的生物化學(xué)和組織學(xué)特性，這就為鑒別正常組織和癌變組織提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。圖像中每個(gè)像素的光譜特征使HSI技術(shù)能夠識(shí)別各種病理狀況。在非侵入性癌癥檢測(cè)、糖尿病足潰瘍、心臟和循環(huán)系統(tǒng)病理學(xué)及其他疾病檢測(cè)、手術(shù)指導(dǎo)等方面發(fā)揮了重要作用。

2.1  疾病診斷

2.1.1 癌癥檢測(cè)

        到目前為止，組織病理學(xué)仍然是各種癌癥診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但是，這種方法對(duì)人體損傷較大且成本較高，最終的診斷結(jié)果仍取決于病理學(xué)專家的主觀判斷，難免會(huì)存在一定的片面性。癌變過程往往伴隨著組織結(jié)構(gòu)在細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上的變化，這些組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)成分變化是癌癥早期診斷非常重要的標(biāo)識(shí)信號(hào)。HSI將成像技術(shù)和光譜技術(shù)相結(jié)合，使得利用HSI技術(shù)能夠同時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)對(duì)象的化學(xué)和物理特征，并具有良好的空間分辨率，在不同器官的癌癥診斷方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖 顯示了正常粘膜組織和腫瘤組織的光譜反射曲線。

2.1.2 心臟和循環(huán)系統(tǒng)病理學(xué)

        心臟病仍然是男性和女性死亡的主要原因。HSI已經(jīng)在體內(nèi)（動(dòng)物和人體研究）和體外的心臟和循環(huán)系統(tǒng)病理學(xué)中進(jìn)行了探索。外周動(dòng)脈疾病 （PAD）涉 及動(dòng)脈粥樣硬化閉塞動(dòng)脈循環(huán)到下肢，這可能導(dǎo)致休息疼痛，下肢潰瘍甚至肢體截肢。傳統(tǒng)的方法如踝肱指數(shù)等無法提供高度的特異性和靈敏度來預(yù)測(cè)PAD患者組織損傷的愈合。HSI能夠非侵入性地測(cè)量氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度，以創(chuàng)建解剖氧合圖。

2.1.3 糖尿病足

        足部潰瘍是糖尿病的嚴(yán)重并發(fā)癥，開發(fā)糖尿病足治療新評(píng)估技術(shù)是該領(lǐng)域研究人員不斷關(guān)注的問題。近年來，一些研究人員已經(jīng)測(cè)試了HSI定量組織氧合（氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白）的能力，并預(yù)測(cè)了糖尿病足的潰瘍形成和愈合。

2.1.4 其他疾病

        除了上述應(yīng)用外，HSI也廣泛應(yīng)用在其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如檢測(cè)齲齒和人喉黏膜變化、視網(wǎng)膜領(lǐng)域等疾病。此外，HSI在除皮膚癌外的其他皮膚疾病檢測(cè)方面也發(fā)揮了重要作用，如皮瓣移植預(yù)后及監(jiān)測(cè)、皮損檢測(cè)、皮膚色素檢測(cè)等。血運(yùn)障礙是皮瓣移植手術(shù)后的常見并發(fā)癥，嚴(yán)重者可導(dǎo)致大塊組織壞死或手術(shù)失敗，而術(shù)后的早期監(jiān)測(cè)可使外科醫(yī)生通過及時(shí)的干預(yù)來減小并發(fā)癥的影響。

圖2　牙齒表面的近紅外光譜反射率曲線（紅色表示病變區(qū)域，藍(lán)色表示損傷區(qū)域，黑色為健康區(qū)域）

2.2 手術(shù)指導(dǎo)

       手術(shù)是一種醫(yī)學(xué)專業(yè)，使用醫(yī)學(xué)的最具侵入性的工具來診斷或治療一些病理狀況并幫助改善身體功能。任何外科手術(shù)都會(huì)對(duì)患者的健康造成一些風(fēng)險(xiǎn)，手術(shù)的成功取決于手術(shù)室的設(shè)備、外科醫(yī)生的表現(xiàn)以及手術(shù)中的可視性（目標(biāo)和周圍組織之間的對(duì)比度以及表面以下的視野），能否準(zhǔn)確地確定病變部位及其 邊緣位置將直接影響外科手術(shù)的成功率。HSI能夠?yàn)橥饪漆t(yī)生提供病變區(qū)域在分子、細(xì)胞和組織水平上的圖像信息。因此，HSI作為術(shù)中視力輔助工具已廣泛應(yīng)用于各種外科手術(shù)中。

3  結(jié)論

        HSI具有圖像和光譜合一的重要特性，具有獲取信息全面、測(cè)量波段范圍廣、無需破壞被測(cè)物、檢測(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)。目前，高光譜成像已經(jīng)成為了一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像方法，它可以提供關(guān)于患者、組織樣本或不同疾病狀況更多光譜范圍的精確的空間和光譜信息，包括可見光譜、紅外和紫外光譜等。既可以反映樣本大小、形狀、缺陷等外部品質(zhì)特征，又可以反映其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的差異，這些特點(diǎn)使得 HSI在改進(jìn)醫(yī)學(xué)診斷和臨床研究領(lǐng)域具有巨大潛力。HSI在疾病診斷和手術(shù)指導(dǎo)方面已取得重大進(jìn)展，是非侵入性及快速檢測(cè)人體疾病的手段和方法，可作為一種手術(shù)視覺輔助工具。

        但是，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，HSI也存在一定的局限性。目前，高光譜檢測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還停留在實(shí)驗(yàn)水平，這是因?yàn)樾枰獜拿總€(gè)醫(yī)學(xué)高光譜圖像所包含的大量數(shù)據(jù)中提取有用信息，從數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和校正、數(shù)據(jù)壓縮、譜維數(shù)降低和數(shù)據(jù)分析（檢測(cè)和分類）到確定最終的結(jié)果都需要一定的時(shí)間，這也是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)；并且更高的光譜分辨率、空間分辨率以及更大的光譜數(shù)據(jù)庫將提供更多的空間和光譜信息。因此，如何實(shí)時(shí)快速地采集目標(biāo)物體的圖像，如何將光譜儀器和算法有效融合在一起，在短時(shí)間內(nèi)給出診斷結(jié)果，如何與其他成像方法相結(jié)合以及研究寬波段光譜儀，都是今后的主要研究方向。 隨著HSI的不斷發(fā)展與改進(jìn)，HSI將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用并發(fā)揮更大的作用。