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、guangpushujucaijiwendingxinggaodengyoudian
，buzuzhichushiyouyucaiyongguangjisaomiao，meigexiangyuandeningshishijianxiangduijiaoduan，yanzhongzhiyuezheguangpuhekongjianfenbianlvjixinzaobi。tuisaoshichengxiangguangpuyicaiyongmianzhentanceqitongshihuoqudaicewukongjianyigechengxiangxingzhongmeigekongjianxiangsudesuoyouguangpuweixinxi
，tongguopingtaiyanguidaotuisaoshixianliefangxiangdekongjianchengxiang。zhezhongfangfashizhuxinghuoqushujude
，ningshishijiandadazengjia，nenggouhuodegenggaodexitonglingminduheshujuxinzaobi，buzuzhichushiyouyutanceqiqijianchicunheguangxueshejijiaokunnan


，wufahuodejiaodadezongshichangjiao。ningshixingshichengxiangguangpuyiliyongmianzhentanceqiyicijiluerweikongjiangegeboduandetuxiangshuju。zhezhongchengxiangxitongzishenmeiyouyundongbujian
，jiegoujiaoweijincou
，danyouyucaiyongzhugeboduanyicihuoqushujudefangshi

，yaoxianghuodexiangsudequanbuguangpuxinxixuyaojiaochangdeshijian，yincibushiyiceliangkuaisubianhuademubiao

，qieguangpufenbianlvbijiaodi

，wufamanzujingxiguangputancedeyaoqiu。

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

、黑hei色se素su和he水shui會hui吸xi收shou不bu同tong波bo長chang的de光guang，因yin此ci，不bu同tong組zu織zhi或huo器qi官guan的de反fan射she光guang譜pu取qu決jue於yu自zi身shen的de生sheng物wu化hua學xue和he組zu織zhi學xue特te性xing，這zhe就jiu為wei鑒jian別bie正zheng常chang組zu織zhi和he癌ai變bian組zu織zhi提ti供gong了le強qiang有you力li的de依yi據ju。圖tu像xiang中zhong每mei個ge像xiang素su的de光guang譜pu特te征zheng使shiHSI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

        daomuqianweizhi
，zuzhibinglixuerengranshigezhongaizhengzhenduandejinbiaozhun
，danshi，zhezhongfangfaduirentisunshangjiaodaqiechengbenjiaogao
，zuizhongdezhenduanjieguorengqujueyubinglixuezhuanjiadezhuguanpanduan，nanmianhuicunzaiyidingdepianmianxing。aibianguochengwangwangbansuizhezuzhijiegouzaixibaoheyaxibaoshuipingshangdebianhua
，zhexiezuzhineibujiegouheshengwuhuaxuechengfenbianhuashiaizhengzaoqizhenduanfeichangzhongyaodebiaoshixinhao。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 及(ji)動(dong)脈(mai)粥(zhou)樣(yang)硬(ying)化(hua)閉(bi)塞(sai)動(dong)脈(mai)循(xun)環(huan)到(dao)下(xia)肢(zhi)，這(zhe)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)休(xiu)息(xi)疼(teng)痛(tong)，下(xia)肢(zhi)潰(kui)瘍(yang)甚(shen)至(zhi)肢(zhi)體(ti)截(jie)肢(zhi)。傳(chuan)統(tong)的(de)方(fang)法(fa)如(ru)踝(huai)肱(gong)指(zhi)數(shu)等(deng)無(wu)法(fa)提(ti)供(gong)高(gao)度(du)的(de)特(te)異(yi)性(xing)和(he)靈(ling)敏(min)度(du)來(lai)預(yu)測(ce)PAD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，HSI也ye存cun在zai一yi定ding的de局ju限xian性xing。目mu前qian，高gao光guang譜pu檢jian測ce技ji術shu在zai醫yi學xue領ling域yu的de應ying用yong還hai停ting留liu在zai實shi驗yan水shui平ping，這zhe是shi因yin為wei需xu要yao從cong每mei個ge醫yi學xue高gao光guang譜pu圖tu像xiang所suo包bao含han的de大da量liang數shu據ju中zhong提ti取qu有you用yong信xin息xi，從cong數shu據ju校xiao準zhun和he校xiao正zheng、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、kongjianfenbianlvyijigengdadeguangpushujukujiangtigonggengduodekongjianheguangpuxinxi。yinci，ruheshishikuaisudicaijimubiaowutidetuxiang，ruhejiangguangpuyiqihesuanfayouxiaoronghezaiyiqi，zaiduanshijianneigeichuzhenduanjieguo
，ruheyuqitachengxiangfangfaxiangjieheyijiyanjiukuanboduanguangpuyi，doushijinhoudezhuyaoyanjiufangxiang。 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。