高光谱成像技术在生物医学方向的新应用

1.   什么是高光谱成像技术        

       高光谱成像技术（HSI）是一种结合成像和光谱的混合模式，通过在二维检测器阵列的每个像素处收集光谱信息，产生空间和光谱信息的三维数据集。

        根据空间成像方式的不同，成像光谱仪主要分为摆扫式成像光谱仪、推扫式成像光谱仪和凝视式成像光谱仪。摆扫式成像光谱仪采用线阵探测器同时获取瞬时视场像素的所有光谱维信息，由扫描镜的左右摆动扫描与平台的沿轨道运动共同完成二维空间成像。这种逐像素成像的方式具有总视场范围广、光谱数据采集稳定性高等优点，不足之处是由于采用光机扫描，每个像元的凝视时间相对较短，严重制约着光谱和空间分辨率及信噪比。推扫式成像光谱仪采用面阵探测器同时获取待测物空间一个成像行中每个空间像素的所有光谱维信息，通过平台沿轨道推扫实现列方向的空间成像。这种方法是逐行获取数据的，凝视时间大大增加，能够获得更高的系统灵敏度和数据信噪比，不足之处是由于探测器器件尺寸和光学设计较困难，无法获得较大的总视场角。凝视型式成像光谱仪利用面阵探测器依次记录二维空间各个波段的图像数据。这种成像系统自身没有运动部件，结构较为紧凑，但由于采用逐个波段依次获取数据的方式，要想获得像素的全部光谱信息需要较长的时间，因此不适宜测量快速变化的目标，且光谱分辨率比较低，无法满足精细光谱探测的要求。

图1  推扫式高光谱成像系统

2.   高光谱成像技术在生物医学上应用       

      参阅近十年来的文献可知，作为一种新型的、非接触式的光学诊断技术，HSI通过光谱图像信息为临床医学提供了一种有效的辅助诊断手段，具有巨大的发展潜力。

       HSI能够同时获取待测物体的图像信息和光谱信息，具有图谱合一的优势。利用 HSI对组织进行检测时，光能够穿透生物组织一定的厚度。由于生物组织结构的不均一性，光在各个方向发生散射，而血红蛋白、黑色素和水会吸收不同波长的光，因此，不同组织或器官的反射光谱取决于自身的生物化学和组织学特性，这就为鉴别正常组织和癌变组织提供了强有力的依据。图像中每个像素的光谱特征使HSI技术能够识别各种病理状况。在非侵入性癌症检测、糖尿病足溃疡、心脏和循环系统病理学及其他疾病检测、手术指导等方面发挥了重要作用。

2.1  疾病诊断

2.1.1 癌症检测

        到目前为止，组织病理学仍然是各种癌症诊断的金标准，但是，这种方法对人体损伤较大且成本较高，最终的诊断结果仍取决于病理学专家的主观判断，难免会存在一定的片面性。癌变过程往往伴随着组织结构在细胞和亚细胞水平上的变化，这些组织内部结构和生物化学成分变化是癌症早期诊断非常重要的标识信号。HSI将成像技术和光谱技术相结合，使得利用HSI技术能够同时获得实验对象的化学和物理特征，并具有良好的空间分辨率，在不同器官的癌症诊断方面具有很大的应用潜力。

图 显示了正常粘膜组织和肿瘤组织的光谱反射曲线。

2.1.2 心脏和循环系统病理学

        心脏病仍然是男性和女性死亡的主要原因。HSI已经在体内（动物和人体研究）和体外的心脏和循环系统病理学中进行了探索。外周动脉疾病 （PAD）涉 及动脉粥样硬化闭塞动脉循环到下肢，这可能导致休息疼痛，下肢溃疡甚至肢体截肢。传统的方法如踝肱指数等无法提供高度的特异性和灵敏度来预测PAD患者组织损伤的愈合。HSI能够非侵入性地测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度，以创建解剖氧合图。

2.1.3 糖尿病足

        足部溃疡是糖尿病的严重并发症，开发糖尿病足治疗新评估技术是该领域研究人员不断关注的问题。近年来，一些研究人员已经测试了HSI定量组织氧合（氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白）的能力，并预测了糖尿病足的溃疡形成和愈合。

2.1.4 其他疾病

        除了上述应用外，HSI也广泛应用在其他生物医学领域，如检测龋齿和人喉黏膜变化、视网膜领域等疾病。此外，HSI在除皮肤癌外的其他皮肤疾病检测方面也发挥了重要作用，如皮瓣移植预后及监测、皮损检测、皮肤色素检测等。血运障碍是皮瓣移植手术后的常见并发症，严重者可导致大块组织坏死或手术失败，而术后的早期监测可使外科医生通过及时的干预来减小并发症的影响。

图2　牙齿表面的近红外光谱反射率曲线（红色表示病变区域，蓝色表示损伤区域，黑色为健康区域）

2.2 手术指导

       手术是一种医学专业，使用医学的最具侵入性的工具来诊断或治疗一些病理状况并帮助改善身体功能。任何外科手术都会对患者的健康造成一些风险，手术的成功取决于手术室的设备、外科医生的表现以及手术中的可视性（目标和周围组织之间的对比度以及表面以下的视野），能否准确地确定病变部位及其 边缘位置将直接影响外科手术的成功率。HSI能够为外科医生提供病变区域在分子、细胞和组织水平上的图像信息。因此，HSI作为术中视力辅助工具已广泛应用于各种外科手术中。

3  结论

        HSI具有图像和光谱合一的重要特性，具有获取信息全面、测量波段范围广、无需破坏被测物、检测精度高等优势。目前，高光谱成像已经成为了一种新兴的生物医学成像方法，它可以提供关于患者、组织样本或不同疾病状况更多光谱范围的精确的空间和光谱信息，包括可见光谱、红外和紫外光谱等。既可以反映样本大小、形状、缺陷等外部品质特征，又可以反映其内部物理结构、化学成分的差异，这些特点使得 HSI在改进医学诊断和临床研究领域具有巨大潜力。HSI在疾病诊断和手术指导方面已取得重大进展，是非侵入性及快速检测人体疾病的手段和方法，可作为一种手术视觉辅助工具。

        但是，作为一项新兴技术，HSI也存在一定的局限性。目前，高光谱检测技术在医学领域的应用还停留在实验水平，这是因为需要从每个医学高光谱图像所包含的大量数据中提取有用信息，从数据校准和校正、数据压缩、谱维数降低和数据分析（检测和分类）到确定最终的结果都需要一定的时间，这也是在生物医学领域应用的一大挑战；并且更高的光谱分辨率、空间分辨率以及更大的光谱数据库将提供更多的空间和光谱信息。因此，如何实时快速地采集目标物体的图像，如何将光谱仪器和算法有效融合在一起，在短时间内给出诊断结果，如何与其他成像方法相结合以及研究宽波段光谱仪，都是今后的主要研究方向。 随着HSI的不断发展与改进，HSI将在生物医学领域获得更广泛的应用并发挥更大的作用。