高光譜成像儀是一個(gè)新興的,非破壞性的,先進(jìn)的光學(xué)檢測(cè)儀器,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(shí)提供實(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。本文對(duì)高光譜成像以前的原理及其在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用作了介紹,感興趣的朋友可以了解一下!
高光譜成像儀的原理:
高光譜成像不同于傳統(tǒng)成像與光譜,它綜合了兩者特點(diǎn)能夠同時(shí)獲得目標(biāo)對(duì)象的圖像和光譜信息。傳統(tǒng)成像是以特定波長(zhǎng)記錄每個(gè)像素的強(qiáng)度,主要提供研究對(duì)象的空間信息,即物理信息;傳統(tǒng)光譜是以多個(gè)波長(zhǎng)范圍記錄某個(gè)像素的強(qiáng)度,主要提供研究對(duì)象的光譜信息,即化學(xué)信息;而高光譜成像是以多個(gè)波長(zhǎng)記錄每個(gè)像素的強(qiáng)度,能夠同時(shí)提供研究對(duì)象的空間和光譜信息,即物理信息和化學(xué)信息。
也就是說(shuō),高光譜成像上每個(gè)像素能夠提供幾十到幾百個(gè)連續(xù)狹窄波段的光譜信息,同時(shí),任何一個(gè)波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)都能生成一幅圖像,從而實(shí)現(xiàn)了“圖譜合一”。因此,高光譜圖像包含三維數(shù)據(jù)信息,也稱為數(shù)據(jù)立方體(Data Cube),或超立方體(Hypercubes)。
高光譜成像儀在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用:
高光譜成像作為一種特殊的光學(xué)診斷技術(shù)最初應(yīng)用于遙感測(cè)量,然后應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)評(píng)價(jià)與食品安全檢測(cè),考古研究與藝術(shù)保存領(lǐng)域回,最近開始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,特別是疾病診斷和健康監(jiān)測(cè),表現(xiàn)出極大的潛力,臨床應(yīng)用情景十分廣闊。
1.體表組織和器官的原位醫(yī)學(xué)高光譜成像診斷
體表組織和器官,主要包括乳腺、嘴唇、舌頭、喉、眼睛等,可以直接反射光源輻照,原位獲取其高光譜圖像。例如,有研究者利用高光譜成像系統(tǒng),獲取正常志愿者及惡性腫瘤患者嘴唇和舌頭的原位高光譜圖像。發(fā)現(xiàn)正常志愿者不同解剖部位的光譜在強(qiáng)度和線型不同,同樣解剖部位的不同測(cè)量點(diǎn)的光譜強(qiáng)度和線型相似;病患的正常部位與損傷部位光譜在強(qiáng)度、線型及峰強(qiáng)位置不同,利用這些差別能夠診斷嘴唇和舌頭惡性腫瘤。高光譜成像能夠原位診斷體表組織和器官的病變,為快速無(wú)損檢測(cè)提供技術(shù)支持。
2.體內(nèi)組織和器官的離體醫(yī)學(xué)高光譜成像診斷
對(duì)于人體內(nèi)部組織及臟器,往往是手術(shù)切除后進(jìn)行離體高光譜成像,主要包括胃、肺、淋巴結(jié)、動(dòng)脈等。例如有研究者應(yīng)用高光譜成像系統(tǒng)研究人體大動(dòng)脈離體組織,以組織病理學(xué)結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn),鑒別動(dòng)脈粥樣硬化斑。獲取白光及紫外光激發(fā)的組織高光譜圖像,采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類算法,評(píng)估反射光譜和熒光光譜。結(jié)果表明高光譜圖像能夠鑒別動(dòng)脈粥樣硬化損傷及對(duì)高級(jí)損傷進(jìn)行分類,監(jiān)督分類效果好于非監(jiān)督分類。高光譜成像能夠診斷離體體表組織和器官的病變,為快速診斷提供新的途徑和方法。
3.病理學(xué)切片及細(xì)胞顯微高光譜成像醫(yī)學(xué)診斷
對(duì)于病理學(xué)切片及細(xì)胞等微小尺度對(duì)象,常規(guī)高光譜成像一般在空間分辨率上無(wú)法滿足要求,通常需將高光譜成像與顯微鏡整合,獲得高空間分辨率和光譜分辨率。例如研究者將高光譜成像系統(tǒng)與顯微鏡整合,獲得高分辨顯微高光譜成像系統(tǒng),波長(zhǎng)范圍365nm~800nm,光譜分辨率約1nm,空間分辨率約0.6nm。他們利用該系統(tǒng)獲取常規(guī)H&E 染色皮膚組織切片的高光譜圖像,采用光譜波形交叉相關(guān)分析方法,對(duì)正常、良性病變及惡性病變皮膚組織光譜進(jìn)行分類,正確率超過(guò) 85%。結(jié)果表明高光譜成像系統(tǒng)整合顯微鏡,能夠檢測(cè)皮膚組織切片,鑒別正常、良性病變及惡性病變皮膚組織。通過(guò)將高光譜成像儀與顯微鏡整合形成可顯微鏡的高光譜成像系統(tǒng),具有高空間分辨率和光譜分辨率,能夠診斷病理學(xué)切片及細(xì)胞等微小尺度病變。
綜上所述,高光譜成像實(shí)現(xiàn)了光譜和圖像的合二為一,具有獨(dú)特的雙重功能,能夠應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。表現(xiàn)出如下特征:
(1)成像系統(tǒng)多樣化,視場(chǎng)范圍從大到小兼?zhèn)洌?/p>
(2)研究對(duì)象廣泛化,從易于接觸的人體器官和組織,例如,皮膚、舌頭、乳房、眼睛等,到難以接觸的內(nèi)部臟器;
(3)臨床診斷實(shí)用化,高光譜成像系統(tǒng)與光纖、內(nèi)窺鏡等整合,使得系統(tǒng)具有更強(qiáng)的原位活體研究能力,能夠研究人體內(nèi)部臟器;
(4)分析方法功能化,多種化學(xué)計(jì)量學(xué)方法都適用于高光譜數(shù)據(jù)立方體,并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和檢測(cè)及診斷。
總之,高光譜成像在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。