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(guò)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(guò)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(wú)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(méi)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(wú)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(lái)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(guò)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(guò)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。
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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(wú)法提供高度的特異性和靈敏度來(lái)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(kāi)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(wèn)題。近年來(lái)，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(jiàn)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(guò)及時(shí)的干預(yù)來(lái)減小并發(fā)癥的影響。
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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)的具有侵入性的工具來(lái)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。
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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(wú)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(jiàn)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(jué)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(kù)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。
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