高光譜成像技術在生物醫學方向的新應用

1.   什麼是高光譜成像技術        

       高光譜成像技術（HSI）是一種結合成像和光譜的混合模式，通過在二維檢測器陣列的每個像素處收集光譜信息，產生空間和光譜信息的三維數據集。

        根據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、tuisaoshichengxiangguangpuyiheningshishichengxiangguangpuyi。baisaoshichengxiangguangpuyicaiyongxianzhentanceqitongshihuoqushunshishichangxiangsudesuoyouguangpuweixinxi
，yousaomiaojingdezuoyoubaidongsaomiaoyupingtaideyanguidaoyundonggongtongwanchengerweikongjianchengxiang。zhezhongzhuxiangsuchengxiangdefangshijuyouzongshichangfanweiguang
、光guang譜pu數shu據ju采cai集ji穩wen定ding性xing高gao等deng優you點dian，不bu足zu之zhi處chu是shi由you於yu采cai用yong光guang機ji掃sao描miao，每mei個ge像xiang元yuan的de凝ning視shi時shi間jian相xiang對dui較jiao短duan
，嚴yan重zhong製zhi約yue著zhe光guang譜pu和he空kong間jian分fen辨bian率lv及ji信xin噪zao比bi。推tui掃sao式shi成cheng像xiang光guang譜pu儀yi采cai用yong麵mian陣zhen探tan測ce器qi同tong時shi獲huo取qu待dai測ce物wu空kong間jian一yi個ge成cheng像xiang行xing中zhong每mei個ge空kong間jian像xiang素su的de所suo有you光guang譜pu維wei信xin息xi
，通tong過guo平ping台tai沿yan軌gui道dao推tui掃sao實shi現xian列lie方fang向xiang的de空kong間jian成cheng像xiang。這zhe種zhong方fang法fa是shi逐zhu行xing獲huo取qu數shu據ju的de，凝ning視shi時shi間jian大da大da增zeng加jia，能neng夠gou獲huo得de更geng高gao的de係xi統tong靈ling敏min度du和he數shu據ju信xin噪zao比bi，不bu足zu之zhi處chu是shi由you於yu探tan測ce器qi器qi件jian尺chi寸cun和he光guang學xue設she計ji較jiao困kun難nan
，無wu法fa獲huo得de較jiao大da的de總zong視shi場chang角jiao。凝ning視shi型xing式shi成cheng像xiang光guang譜pu儀yi利li用yong麵mian陣zhen探tan測ce器qi依yi次ci記ji錄lu二er維wei空kong間jian各ge個ge波bo段duan的de圖tu像xiang數shu據ju。這zhe種zhong成cheng像xiang係xi統tong自zi身shen沒mei有you運yun動dong部bu件jian
，結jie構gou較jiao為wei緊jin湊cou，但dan由you於yu采cai用yong逐zhu個ge波bo段duan依yi次ci獲huo取qu數shu據ju的de方fang式shi，要yao想xiang獲huo得de像xiang素su的de全quan部bu光guang譜pu信xin息xi需xu要yao較jiao長chang的de時shi間jian，因yin此ci不bu適shi宜yi測ce量liang快kuai速su變bian化hua的de目mu標biao
，且qie光guang譜pu分fen辨bian率lv比bi較jiao低di，無wu法fa滿man足zu精jing細xi光guang譜pu探tan測ce的de要yao求qiu。

圖1  推掃式高光譜成像係統

2.   高光譜成像技術在生物醫學上應用       

      參閱近十年來的文獻可知
，作為一種新型的、非接觸式的光學診斷技術，HSI通過光譜圖像信息為臨床醫學提供了一種有效的輔助診斷手段
，具有巨大的發展潛力。

       HSI能夠同時獲取待測物體的圖像信息和光譜信息，具有圖譜合一的優勢。利用 HSI對組織進行檢測時，光能夠穿透生物組織一定的厚度。由於生物組織結構的不均一性，光在各個方向發生散射
，而血紅蛋白
、heisesuheshuihuixishoubutongbochangdeguang
，yinci，butongzuzhihuoqiguandefansheguangpuqujueyuzishendeshengwuhuaxuehezuzhixuetexing，zhejiuweijianbiezhengchangzuzhiheaibianzuzhitigongleqiangyoulideyiju。tuxiangzhongmeigexiangsudeguangputezhengshiHSI技術能夠識別各種病理狀況。在非侵入性癌症檢測、糖尿病足潰瘍、心髒和循環係統病理學及其他疾病檢測、手術指導等方麵發揮了重要作用。

2.1  疾病診斷

2.1.1 癌症檢測

        到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)，組(zu)織(zhi)病(bing)理(li)學(xue)仍(reng)然(ran)是(shi)各(ge)種(zhong)癌(ai)症(zheng)診(zhen)斷(duan)的(de)金(jin)標(biao)準(zhun)
，但(dan)是(shi)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)對(dui)人(ren)體(ti)損(sun)傷(shang)較(jiao)大(da)且(qie)成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)，最(zui)終(zhong)的(de)診(zhen)斷(duan)結(jie)果(guo)仍(reng)取(qu)決(jue)於(yu)病(bing)理(li)學(xue)專(zhuan)家(jia)的(de)主(zhu)觀(guan)判(pan)斷(duan)
，難(nan)免(mian)會(hui)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)片(pian)麵(mian)性(xing)。癌(ai)變(bian)過(guo)程(cheng)往(wang)往(wang)伴(ban)隨(sui)著(zhe)組(zu)織(zhi)結(jie)構(gou)在(zai)細(xi)胞(bao)和(he)亞(ya)細(xi)胞(bao)水(shui)平(ping)上(shang)的(de)變(bian)化(hua)
，這(zhe)些(xie)組(zu)織(zhi)內(nei)部(bu)結(jie)構(gou)和(he)生(sheng)物(wu)化(hua)學(xue)成(cheng)分(fen)變(bian)化(hua)是(shi)癌(ai)症(zheng)早(zao)期(qi)診(zhen)斷(duan)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)標(biao)識(shi)信(xin)號(hao)。HSI將成像技術和光譜技術相結合
，使得利用HSI技術能夠同時獲得實驗對象的化學和物理特征
，並具有良好的空間分辨率，在不同器官的癌症診斷方麵具有很大的應用潛力。

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 心髒和循環係統病理學

        心髒病仍然是男性和女性死亡的主要原因。HSI已經在體內（動物和人體研究）和體外的心髒和循環係統病理學中進行了探索。外周動脈疾病 （PAD）涉 jidongmaizhouyangyinghuabisaidongmaixunhuandaoxiazhi，zhekenengdaozhixiuxitengtong，xiazhikuiyangshenzhizhitijiezhi。chuantongdefangfaruhuaigongzhishudengwufatigonggaodudeteyixinghelingmindulaiyucePAD患者組織損傷的愈合。HSI能夠非侵入性地測量氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度
，以創建解剖氧合圖。

2.1.3 糖尿病足

        足部潰瘍是糖尿病的嚴重並發症
，開發糖尿病足治療新評估技術是該領域研究人員不斷關注的問題。近年來，一些研究人員已經測試了HSI定量組織氧合（氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白）的能力
，並預測了糖尿病足的潰瘍形成和愈合。

2.1.4 其他疾病

        除了上述應用外，HSI也廣泛應用在其他生物醫學領域
，如檢測齲齒和人喉黏膜變化、視網膜領域等疾病。此外，HSI在除皮膚癌外的其他皮膚疾病檢測方麵也發揮了重要作用，如皮瓣移植預後及監測
、皮損檢測、皮(pi)膚(fu)色(se)素(su)檢(jian)測(ce)等(deng)。血(xue)運(yun)障(zhang)礙(ai)是(shi)皮(pi)瓣(ban)移(yi)植(zhi)手(shou)術(shu)後(hou)的(de)常(chang)見(jian)並(bing)發(fa)症(zheng)，嚴(yan)重(zhong)者(zhe)可(ke)導(dao)致(zhi)大(da)塊(kuai)組(zu)織(zhi)壞(huai)死(si)或(huo)手(shou)術(shu)失(shi)敗(bai)，而(er)術(shu)後(hou)的(de)早(zao)期(qi)監(jian)測(ce)可(ke)使(shi)外(wai)科(ke)醫(yi)生(sheng)通(tong)過(guo)及(ji)時(shi)的(de)幹(gan)預(yu)來(lai)減(jian)小(xiao)並(bing)發(fa)症(zheng)的(de)影(ying)響(xiang)。

圖2　牙齒表麵的近紅外光譜反射率曲線（紅色表示病變區域，藍色表示損傷區域，黑色為健康區域）

2.2 手術指導

       手shou術shu是shi一yi種zhong醫yi學xue專zhuan業ye，使shi用yong醫yi學xue的de最zui具ju侵qin入ru性xing的de工gong具ju來lai診zhen斷duan或huo治zhi療liao一yi些xie病bing理li狀zhuang況kuang並bing幫bang助zhu改gai善shan身shen體ti功gong能neng。任ren何he外wai科ke手shou術shu都dou會hui對dui患huan者zhe的de健jian康kang造zao成cheng一yi些xie風feng險xian，手shou術shu的de成cheng功gong取qu決jue於yu手shou術shu室shi的de設she備bei、外科醫生的表現以及手術中的可視性（目標和周圍組織之間的對比度以及表麵以下的視野）
，能否準確地確定病變部位及其 邊緣位置將直接影響外科手術的成功率。HSI能夠為外科醫生提供病變區域在分子、細胞和組織水平上的圖像信息。因此，HSI作為術中視力輔助工具已廣泛應用於各種外科手術中。

3  結論

        HSI具有圖像和光譜合一的重要特性，具有獲取信息全麵、測量波段範圍廣、無需破壞被測物、檢測精度高等優勢。目前，高光譜成像已經成為了一種新興的生物醫學成像方法
，它可以提供關於患者
、組織樣本或不同疾病狀況更多光譜範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、缺陷等外部品質特征，又可以反映其內部物理結構
、化學成分的差異，這些特點使得 HSI在改進醫學診斷和臨床研究領域具有巨大潛力。HSI在疾病診斷和手術指導方麵已取得重大進展
，是非侵入性及快速檢測人體疾病的手段和方法，可作為一種手術視覺輔助工具。

        但是，作為一項新興技術
，HSIyecunzaiyidingdejuxianxing。muqian
，gaoguangpujiancejishuzaiyixuelingyudeyingyonghaitingliuzaishiyanshuiping，zheshiyinweixuyaocongmeigeyixuegaoguangputuxiangsuobaohandedaliangshujuzhongtiquyouyongxinxi，congshujuxiaozhunhexiaozheng、數據壓縮
、譜維數降低和數據分析（檢測和分類）到確定最終的結果都需要一定的時間，這也是在生物醫學領域應用的一大挑戰；並且更高的光譜分辨率
、空(kong)間(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)以(yi)及(ji)更(geng)大(da)的(de)光(guang)譜(pu)數(shu)據(ju)庫(ku)將(jiang)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)的(de)空(kong)間(jian)和(he)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)。因(yin)此(ci)，如(ru)何(he)實(shi)時(shi)快(kuai)速(su)地(di)采(cai)集(ji)目(mu)標(biao)物(wu)體(ti)的(de)圖(tu)像(xiang)

，如(ru)何(he)將(jiang)光(guang)譜(pu)儀(yi)器(qi)和(he)算(suan)法(fa)有(you)效(xiao)融(rong)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)，在(zai)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)給(gei)出(chu)診(zhen)斷(duan)結(jie)果(guo)，如(ru)何(he)與(yu)其(qi)他(ta)成(cheng)像(xiang)方(fang)法(fa)相(xiang)結(jie)合(he)以(yi)及(ji)研(yan)究(jiu)寬(kuan)波(bo)段(duan)光(guang)譜(pu)儀(yi)，都(dou)是(shi)今(jin)後(hou)的(de)主(zhu)要(yao)研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)。 隨著HSI的不斷發展與改進，HSI將在生物醫學領域獲得更廣泛的應用並發揮更大的作用。