高光谱成像技术在生物医学方向的新应用‘BOBapp’

本文摘要：1．什么是低光谱光学技术低光谱光学技术（HSI）是一种融合光学和光谱的混合模式，通过在二维检测器阵列的每个像素处搜集光谱信息，产生空间和光谱信息的三维数据集。根据空间光学方式的有所不同，光学光谱仪主要分成摆扫式光学光谱仪、推扫式光学光谱仪和看著式光学光谱仪。摆扫式光学光谱仪使用线阵探测器同时提供瞬时视场像素的所有光谱维信息，由扫瞄镜的左右转动扫瞄与平台的沿轨道运动共同完成二维空间光学。

1．什么是低光谱光学技术低光谱光学技术（HSI）是一种融合光学和光谱的混合模式，通过在二维检测器阵列的每个像素处搜集光谱信息，产生空间和光谱信息的三维数据集。根据空间光学方式的有所不同，光学光谱仪主要分成摆扫式光学光谱仪、推扫式光学光谱仪和看著式光学光谱仪。摆扫式光学光谱仪使用线阵探测器同时提供瞬时视场像素的所有光谱维信息，由扫瞄镜的左右转动扫瞄与平台的沿轨道运动共同完成二维空间光学。

这种弃像素光学的方式具备总视场范围广、光谱数据采集稳定性高等优点，不足之处是由于使用光机扫瞄，每个像元的看著时间比较较短，相当严重制约着光谱和空间分辨率及信噪比。推扫式光学光谱仪使用面阵探测器同时提供待测物空间一个光学讫中每个空间像素的所有光谱维信息，通过平台沿轨道推扫构建佩方向的空间光学。

这种方法是逐行获取数据的，看著时间大大增加，需要取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艰难，无法取得较小的总视场角。看著型式光学光谱仪利用面阵探测器依序记录二维空间各个波段的图像数据。这种光学系统自身没运动部件，结构更为灵活，但由于使用逐一波段依序获取数据的方式，要想要取得像素的全部光谱信息必须较长的时间，因此不适合测量较慢变化的目标，且光谱分辨率较为较低，无法符合细致光谱观测的拒绝。

图1推扫式低光谱光学系统2．低光谱光学技术在生物医学上应用于参看近十年来的文献由此可知，作为一种新型的、非接触式的光学临床技术，HSI通过光谱图像信息为临床医学获取了一种有效地的辅助临床手段，具备极大的发展潜力。HSI需要同时提供待测物体的图像信息和光谱信息，具备图谱合一的优势。利用HSI对的组织展开检测时，光需要击穿生物的组织一定的厚度。

由于生物的组织结构的不均一性，光在各个方向再次发生衍射，而血红蛋白、黑色素和水会吸取有所不同波长的光，因此，有所不同的组织或器官的光线光谱各不相同自身的生物化学和组织学特性，这就为辨别长时间的组织和癌变的组织获取了强有力的依据。图像中每个像素的光谱特征使HSI技术需要辨识各种病理状况。

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、手术指导等方面充分发挥了最重要起到。2．1疾病诊断2．1．1癌症检测到目前为止，的组织病理学依然是各种癌症临床的金标准，但是，这种方法对人体受损较小且成本较高，最后的临床结果仍各不相同病理学专家的主观辨别，难免会不存在一定的片面性。癌变过程往往预示着的组织结构在细胞和亚细胞水平上的变化，这些的组织内部结构和生物化学成分变化是癌症早期临床十分最重要的标识信号。

HSI将光学技术和光谱技术相结合，使得利用HSI技术需要同时取得实验对象的化学和物理特征，并具备较好的空间分辨率，在有所不同器官的癌症临床方面具备相当大的应用于潜力。图2表明了长时间粘膜的组织和肿瘤的组织的光谱光线曲线。

2．1．2心脏和循环系统病理学心脏病依然是男性和女性丧生的主要原因。HSI早已在体内（动物和人体研究）和体外的心脏和循环系统病理学中展开了探寻。

外周动脉疾病（PAD）牵涉到动脉粥样硬化道岔动脉循环到下肢，这有可能造成睡觉疼痛，下肢溃疡甚至肢体截肢。传统的方法如踝肱指数等无法获取高度的特异性和灵敏度来预测PAD患者的组织受损的伤口。HSI需要非侵入性地测量氧合血红蛋白和巯基血红蛋白浓度，以创立解剖学氧合图。

2．1．3糖尿病整整部溃疡是糖尿病的相当严重并发症，研发糖尿病足化疗新的评估技术是该领域研究人员大大注目的问题。近年来，一些研究人员早已测试了HSI定量的组织氧合（氧合血红蛋白和巯基血红蛋白）的能力，并预测了糖尿病足的溃疡构成和伤口。2．1．4其他疾病除了上述应用于外，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充分发挥了最重要起到，如皮瓣重制肾功能及监测、皮损检测、皮肤色素检测等。血运障碍是皮瓣移植手术后的少见并发症，严重者可造成大块的组织发炎或手术告终，而术后的早期监测可使外科医生通过及时的介入来增大并发症的影响。图3牙齿表面的近红外光谱反射率曲线（红色回应恶性肿瘤区域，蓝色回应受损区域，黑色为身体健康区域）2．2手术指导手术是一种医学专业，用于医学的最不具侵入性的工具来临床或化疗一些病理状况并协助提高身体功能。任何外科手术都会对患者的身体健康导致一些风险，手术的顺利各不相同手术室的设备、外科医生的展现出以及手术中的可视性（目标和周围的组织之间的对比度以及表面以下的视野），能否精确地确认恶性肿瘤部位及其边缘方位将直接影响外科手术的成功率。

HSI需要为外科医生获取恶性肿瘤区域在分子、细胞和的组织水平上的图像信息。因此，HSI作为法术中视力辅助工具已普遍应用于各种外科手术中。3．结论HSI具备图像和光谱合一的最重要特性，具备获取信息全面、测量波段范围广、需要毁坏被测物、检测精度高等优势。

目前，低光谱光学早已沦为了一种新兴的生物医学光学方法，它可以获取关于患者、的组织样本或有所不同疾病状况更加多光谱范围的准确的空间和光谱信息，还包括可见光谱、红外和紫外光谱等。既可以体现样本大小、形状、缺失等外部品质特征，又可以体现其内部物理结构、化学成分的差异，这些特点使得HSI在改良医学临床和临床研究领域具备极大潜力。HSI在疾病诊断和手术指导方面已获得重大进展，所谓侵入性及较慢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也不存在一定的局限性。目前，低光谱检测技术在医学领域的应用于还逗留在实验水平，这是因为必须从每个医学低光谱图像所包括的大量数据中萃取简单信息，从数据校准和校正、数据压缩、序维数减少和数据分析（检测和分类）到确认最后的结果都必须一定的时间，这也是在生物医学领域应用于的众多挑战；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获取更好的空间和光谱信息。

因此，如何动态较慢地收集目标物体的图像，如何将光谱仪器和算法有效地融合在一起，在短时间内得出临床结果，如何与其他光学方法结合以及研究长波段光谱仪，都是今后的主要研究方向。随着HSI的大大发展与改良，HSI将在生物医学领域取得更加普遍的应用于并充分发挥更大的起到。

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