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高光譜成像技術在生物醫(yī)學領域的應用
1. 什么是高光譜成像技術？
高光譜成像是一種結合成像和光譜的技術, 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, 并稱之為超立方體, 如圖1所示。利用空間信息, 可以定位樣本上每個光譜的來源, 這樣可以更完整地探測光與病理組織之間的相互作用; 利用圖像中每個像素的光譜特征, 可以識別不同的病理狀況。
三維高光譜圖像及光譜
在生物醫(yī)學應用領域, 高光譜成像是一個新興的,非破壞性的,先進的光學技術,它具有光譜和成像的雙重功能,這種雙重功能使得高光譜成像能夠同時提供實驗對象的化學和物理特征,并具有良好的空間分辨率。高光譜成像作為一種特殊光學診斷技術，具有成像系統多樣化、研究對象廣泛化、臨床診斷實用化和分析方法功能化等特征，在特定波長下, 不同病理狀態(tài)組織的化學組成和物理特征有著不同的反射率、吸收度, 通過分析這些光譜信號可以實現組織狀態(tài)信息的定性或定量檢測, 并根據高光譜圖像提供的空間分布信息, 實現組織不同病態(tài)的可視化, 從而診斷組織疾病狀態(tài)，為臨床醫(yī)學提供了一種有效的輔助診斷手段。
2. 高光譜成像技術在醫(yī)學醫(yī)療中的應用
高光譜成像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(yōu)勢。利用高光譜（簡稱：HSI)對組織進行檢測時, 光能夠穿透生物組織一定的厚度。由于生物組織結構的不均一性, 光在各個方向發(fā)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于自身的生物化學和組織學特性, 這就為鑒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征使HSI技術能夠識別各種病理狀況。在非侵入性癌癥檢測、糖尿病足潰瘍、心臟和循環(huán)系統病理學及其他疾病檢測、手術指導等方面發(fā)揮了重要作用。
到目前為止, 組織病理學仍然是各種癌癥診斷的金標準, 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于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癥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用潛力。
2.1 疾病診斷
1）胃癌
據世界衛(wèi)生組織估計，就全球范圍內而言，胃癌高居最常見惡性腫瘤第5位、腫瘤致死率第3位, 是嚴重影響人類健康的重大疾病。2015年, Goto等[10]利用高光譜成像系統，獲取了104個胃部手術切除組織的高光譜圖像。經過圖像和光譜預處理后, 發(fā)現胃癌組織和正常組織的光譜之間存在差異，在波長600 nm以上時, 胃癌組織光譜反射系數較高。利用圖像增強技術, HSI診斷的靈敏度、特異性和準確率分別為71%、98%和85%。下圖1顯示了正常粘膜組織和腫瘤組織的光譜反射曲線。圖2所示為胃腺瘤的圖片實例，利用上述實驗方法和結果完全可以在組織顏色極其相似的情況下找到腺瘤組織(圖上箭頭所指)。
圖1：正常粘膜組織和腫瘤組織的光譜反射曲線
圖2：高光譜相機處理過程
(a)胃竇前壁胃腺瘤的食管胃十二指腸鏡檢查圖像； (b)圖像處理前的高光譜相機圖像； (c) 770 nm波長處的SR以雙色灰度進行圖像處理； (d)高光譜數據分析儀對基于770 nm波長處的SR以20色漸變進行圖像處理
2) 宮頸癌
宮頸癌是女性第二大常見癌癥, 可以通過二級預防降低發(fā)病率和死亡率。光譜學技術作為一種非侵入性臨床診斷技術, 通過組織的光譜特征對病變進行識別并指導組織活檢, 可大大提高宮頸病變活檢陽性率, 為宮頸病變臨床診斷提供了一種可靠的方法，突破了普通陰道鏡受醫(yī)師臨床經驗的限制。圖1(a)(b)(d)為基于SDT分析的未染色病理切片的實驗結果; 圖1(c)為與之對照的H&E染色病理切片, 黑色線條所示為癌癥組織圖像, 圖1(d)中箭頭所示為大部分癌組織, 三角所示為微小的假陽性結果, 這可能是未開封和未染色的切片污垢和其他偽像造成的。上述微觀高光譜成像方法可以在病理診斷腫瘤之前為病理學家提供成像指導。
圖1：基于于寬間隙二階導數分析的病理切片分類結果
(a)兩種不同區(qū)域組織的平均透射率曲線; (b)對應的寬間隙SDT光譜; (c) H&E 染色的組織學病理切片顯示的癌癥組織; (d)基于寬間隙SDT方法與分割算法相結合的分類結果
2.2 手術指導
手術是一種醫(yī)學專業(yè), 使用醫(yī)學的最具侵入性的工具來診斷或治療一些病理狀況并幫助改善身體功能。任何外科手術都會對患者的健康造成一些風險, 手術的成功取決于手術室的設備、外科醫(yī)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(yī)生提供病變區(qū)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于各種外科手術中。
胰腺組織的反射光譜
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、測量波段范圍廣、無需破壞被測物、檢測精度高等優(yōu)勢。目前, 高光譜成像已經成為了一種新興的生物醫(yī)學成像方法, 它可以提供關于患者、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(yī)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。
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