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、推掃式成像光譜儀和凝視式成像光譜儀。擺掃式成像光譜儀採用線陣探測器同時獲取瞬時視場像素的所有光譜維信息，由掃描鏡的左右擺動掃描與平臺的沿軌道運動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範圍廣、光譜數據採集穩定性高等優點，不足之處是由於採用光機掃描，每個像元的凝視時間相對較短，嚴重製約著光譜和空間解析度及信噪比。推掃式成像光譜儀採用面陣探測器同時獲取待測物空間一個成像行中每個空間像素的所有光譜維信息，通過平臺沿軌道推掃實現列方向的空間成像。這種方法是逐行獲取數據的，凝視時間大大增加，能夠獲得更高的系統靈敏度和數據信噪比，不足之處是由於探測器器件尺寸和光學設計較困難，無法獲得較大的總視場角。凝視型式成像光譜儀利用面陣探測器依次記錄二維空間各個波段的圖像數據。這種成像系統自身沒有運動部件，結構較為緊湊，但由於採用逐個波段依次獲取數據的方式，要想獲得像素的全部光譜信息需要較長的時間，因此不適宜測量快速變化的目標，且光譜解析度比較低，無法滿足精細光譜探測的要求。

圖1 推掃式高光譜成像系統

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、黑色素和水會吸收不同波長的光，因此，不同組織或器官的反射光譜取決於自身的生物化學和組織學特性，這就為鑑別正常組織和癌變組織提供了強有力的依據。圖像中每個像素的光譜特徵使HSI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、心臟和循環系統病理學及其他疾病檢測、手術指導等方面發揮了重要作用。

2．1 疾病診斷

2．1．1 癌症檢測

到目前為止，組織病理學仍然是各種癌症診斷的金標準，但是，這種方法對人體損傷較大且成本較高，最終的診斷結果仍取決於病理學專家的主觀判斷，難免會存在一定的片面性。癌變過程往往伴隨著組織結構在細胞和亞細胞水平上的變化，這些組織內部結構和生物化學成分變化是癌症早期診斷非常重要的標識信號。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徵，並具有良好的空間解析度，在不同器官的癌症診斷方面具有很大的應用潛力。

圖2 顯示了正常黏膜組織和腫瘤組織的光譜反射曲線。

2．1．2 心臟和循環系統病理學

心臟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）和體外的心臟和循環系統病理學中進行了探索。外周動脈疾病（PAD）涉及動脈粥樣硬化閉塞動脈循環到下肢，這可能導致休息疼痛，下肢潰瘍甚至肢體截肢。傳統的方法如踝肱指數等無法提供高度的特異性和靈敏度來預測PAD患者組織損傷的癒合。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併發症，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癒合。

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面也發揮了重要作用，如皮瓣移植預後及監測、皮損檢測、皮膚色素檢測等。血運障礙是皮瓣移植手術後的常見併發症，嚴重者可導致大塊組織壞死或手術失敗，而術後的早期監測可使外科醫生通過及時的幹預來減小併發症的影響。

圖3 牙齒表面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

手術是一種醫學專業，使用醫學的最具侵入性的工具來診斷或治療一些病理狀況並幫助改善身體功能。任何外科手術都會對患者的健康造成一些風險，手術的成功取決於手術室的設備、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面以下的視野），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，具有獲取信息全面、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、缺陷等外部品質特徵，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面已取得重大進展，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也存在一定的局限性。目前，高光譜檢測技術在醫學領域的應用還停留在實驗水平，這是因為需要從每個醫學高光譜圖像所包含的大量數據中提取有用信息，從數據校準和校正、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；並且更高的光譜解析度、空間解析度以及更大的光譜資料庫將提供更多的空間和光譜信息。因此，如何實時快速地採集目標物體的圖像，如何將光譜儀器和算法有效融合在一起，在短時間內給出診斷結果，如何與其他成像方法相結合以及研究寬波段光譜儀，都是今後的主要研究方向。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。