高光譜圖像在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用-萊森光學(xué)

引言

目前，癌癥診斷的金標(biāo)準(zhǔn)依然是組織病理學(xué)檢查。然而，這種成本高昂的診斷方法不可避免地對(duì)人體造成損傷，并且因受限于病理學(xué)專(zhuān)家的主觀判斷，最終的診斷結(jié)果可能具有一定的片面性。而高光譜成像技術(shù)能夠提供成像對(duì)象的組織成分及其空間結(jié)構(gòu)信息，這使非侵入性的疾病診斷和臨床治療應(yīng)用成為可能，具有極廣闊的應(yīng)用前景。

本文基于對(duì)高光譜成像的基本原理和高光譜顯微成像系統(tǒng)的介紹，重點(diǎn)總結(jié)和闡述了1998—2021年間高光譜圖像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用，包括癌癥、心臟病、視網(wǎng)膜疾病、中醫(yī)舌診、糖尿病、牙科疾病和皮膚病等常見(jiàn)疾病的新型診斷方法;腫瘤切緣檢測(cè)、腹腔鏡手術(shù)、腎手術(shù)、腸道手術(shù)和外科神經(jīng)定位等手術(shù)指導(dǎo)。本文討論了高光譜成像技術(shù)的局限性并且展望其未來(lái)的發(fā)展，總結(jié)了針對(duì)高光譜成像技術(shù)在疾病診斷和治療方法有效性評(píng)估的相關(guān)臨床結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道，表明高光譜成像技術(shù)作為一種有效的、非侵入性的輔助診斷手段，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有非常大的發(fā)展空間和潛力。

高光譜成像技術(shù)

2.1 基本原理

高光譜成像技術(shù)是一種結(jié)合成像學(xué)和光譜學(xué)的混合模式，由多光譜遙感成像技術(shù)發(fā)展而來(lái)。高光譜成像技術(shù)是指利用光譜儀對(duì)成像對(duì)象在紫外（UV）、可見(jiàn)光（VIS）、紅外、甚至中紅外波段的光譜范圍內(nèi)的譜線（數(shù)十或數(shù)百條）進(jìn)行連續(xù)掃描成像，收集每個(gè)像素處的光譜信息，生成空間和光譜信息的3維數(shù)據(jù)集（稱(chēng)為超立方體）。高光譜圖像中的每個(gè)像素都包含了幾十個(gè)到幾百個(gè)連續(xù)窄波段的光譜信息，并且任一個(gè)波長(zhǎng)下的光譜數(shù)據(jù)都能生成一幅二維圖像，從而實(shí)現(xiàn)“圖譜合一”。與多光譜成像（例如RGB彩色相機(jī)）相比，高光譜成像的光譜帶更多（如圖1所示）且光譜分辨率更高。因此，HSI有可能捕獲不同病理?xiàng)l件下組織的細(xì)微光譜差異，而多光譜成像往往會(huì)難以獲取足夠多的用于診斷的重要光譜信息。

圖1膜性腎病的高光譜圖像

2.2 高光譜顯微成像系統(tǒng)

高光譜顯微成像系統(tǒng)主要以成像光譜儀、CCD相機(jī)和顯微鏡為主要組成部分，具有多種不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，如工作波段、測(cè)量光譜類(lèi)型、數(shù)據(jù)采集方式和光譜色散方式等。以數(shù)據(jù)采集方式為例，高光譜顯微成像系統(tǒng)主要分為掃描型和快照式（snapshot）。其中，掃描型高光譜成像系統(tǒng)又可細(xì)分為擺掃式（whiskbroom）、推掃式（pushbroom）和凝視式（staring）。表1展示了這4種成像方式的技術(shù)特點(diǎn)。表2總結(jié)了代表性的HSI系統(tǒng)及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

表1不同成像方式的光譜儀比較

擺掃式成像需要在橫縱兩個(gè)方向上移動(dòng)電動(dòng)控制平臺(tái)來(lái)變換目標(biāo)像素點(diǎn)，掃描一次只能收集單個(gè)像素，也稱(chēng)為逐點(diǎn)掃描。擺掃式高光譜顯微系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)、硬件復(fù)雜且效率較低。

推掃式成像也稱(chēng)為線性掃描，空間兩個(gè)維度信息通過(guò)自掃描和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，視場(chǎng)內(nèi)的光信號(hào)依次經(jīng)過(guò)物鏡、入射狹縫和準(zhǔn)直模塊、色散元件，并成像于CCD相機(jī)。與擺掃式不同，推掃式通過(guò)一次掃描可以采集一列像素點(diǎn)的空間信息和光譜信息。由于推掃式采集方式掃描時(shí)間較長(zhǎng)，圖像的光譜分辨率和空間分辨率得以有效提升。無(wú)需外置擺掃裝置的特點(diǎn)使得推掃式光譜儀具有相對(duì)小的體積，因而適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。圖2為典型推掃式光譜儀的成像原理示意圖。

凝視式成像方式與傳統(tǒng)相機(jī)類(lèi)似，其采集的高光譜圖像的光譜分辨率低于推掃式采集方式獲取的圖像，往往達(dá)不到高光譜分辨率的要求。凝視式高光譜儀內(nèi)不設(shè)置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其體積較小，而各譜段圖像并非同時(shí)掃描完成，因此它對(duì)探測(cè)動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有不適用性。

快照式高光譜成像技術(shù)的成像過(guò)程無(wú)需掃描，能夠一次性獲取目標(biāo)物體的圖像信息和光譜信息。該類(lèi)儀器系統(tǒng)內(nèi)部不存在移動(dòng)部件或其他動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)組件，抗干擾能力強(qiáng)，且成像速度快，因此適用于移動(dòng)速度較快的目標(biāo)物體，并且可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

表2代表性高光譜成像系統(tǒng)及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用總結(jié)

圖2推掃式高光譜成像系統(tǒng)的示意圖

3、生物醫(yī)學(xué)疾病診斷應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)具有“圖譜合一”的優(yōu)勢(shì)，對(duì)組織進(jìn)行檢查時(shí)，因病變會(huì)引起組織成分信息（例如蛋白質(zhì)、核酸、糖和水分）在含量和結(jié)構(gòu)形態(tài)等方面的變化，進(jìn)而引發(fā)光譜曲線在波形、峰強(qiáng)和波長(zhǎng)等方面的改變。因此，高光譜成像技術(shù)能夠在組織細(xì)胞形態(tài)未發(fā)生明顯變化之前獲取到細(xì)胞的異常信息，具有超前性，為鑒別正常組織和病變組織提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。HSI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，在醫(yī)學(xué)診斷和臨床研究領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。

3.1 癌癥檢測(cè)

目前癌癥早期篩查診斷普遍使用的熱斷層掃描技術(shù)（TTM）、正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像（PET-CT）等檢測(cè)手段無(wú)法獲取病變器官的分子層面信息，血芯片檢測(cè)、基因檢測(cè)和納米檢測(cè)等檢測(cè)手段價(jià)格昂貴，對(duì)癌癥早期精準(zhǔn)篩查的發(fā)展和普及形成了極大障礙。與此同時(shí)，多數(shù)檢測(cè)技術(shù)依賴的熒光信號(hào)探測(cè)存在猝滅、低信噪比及實(shí)驗(yàn)環(huán)境干擾等問(wèn)題，易對(duì)結(jié)果產(chǎn)生錯(cuò)判。癌變過(guò)程意味著生物組織結(jié)構(gòu)在細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上存在變化，早期診斷癌癥的重要標(biāo)識(shí)信號(hào)就是生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)成分的變化。高光譜成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)病理數(shù)字化，提供生物組織圖像的3維數(shù)據(jù)立方體，包含二維圖像信息與一維光譜信號(hào)，包含生物組織特征的空間信息和光譜信息，從而準(zhǔn)確鑒別不同的病理組織成分，為病變組織器官的深層次分析研究提供了數(shù)據(jù)獲取保障，在癌癥診斷方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

3.2 宮頸癌

宮頸癌是婦女第四常見(jiàn)的癌癥。據(jù)世界衛(wèi)生組織截至2020年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在全世界范圍內(nèi)，約60萬(wàn)名女性被診斷出患有宮頸癌，約34萬(wàn)名女性死于宮頸癌。目前存在的兩種有效預(yù)防宮頸癌的方法是初級(jí)（人乳頭瘤病毒（HPV）疫苗接種）和二級(jí)（篩查和治療癌前病變）預(yù)防方法。只要早期發(fā)現(xiàn)并有效管理，晚期診斷的宮頸癌也可以通過(guò)適當(dāng)?shù)闹委焷?lái)控制病情。通過(guò)全面的預(yù)防、篩查和治療方法，宮頸癌可以作為公共衛(wèi)生問(wèn)題被消除。

基于光學(xué)技術(shù)的宮頸涂片檢查是目前篩查宮頸癌的主要方法，可用于識(shí)別宮頸細(xì)胞和組織中的癌前病變和潛在癌前病變。然而，宮頸涂片檢查的假陽(yáng)性概率為15%40%。光譜學(xué)技術(shù)利用生物組織的光譜特征來(lái)識(shí)別病變和指導(dǎo)活檢，提高了宮頸癌活檢陽(yáng)性概率，為宮頸癌臨床診斷提供了一種可靠的、非侵入性臨床診斷方法;計(jì)算機(jī)能對(duì)光譜成像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析，突破了檢測(cè)結(jié)果受醫(yī)師臨床經(jīng)驗(yàn)影響的限制。

Okimoto等人利用小波域中的主成分分析（PCA）為熒光成像光譜法無(wú)創(chuàng)檢測(cè)宮頸上皮內(nèi)瘤變（CIN）提供了新方法。使用連續(xù)小波變換（CWT）對(duì)高光譜每個(gè)像素的熒光光譜的多尺度結(jié)構(gòu)提取數(shù)據(jù)立方體，然后使用PCA壓縮和去噪小波表示，以呈現(xiàn)給前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）進(jìn)行組織分類(lèi)。該方法可以在5種宮頸組織類(lèi)別（包括:低度不典型增生（CIN1）、鱗狀、柱狀、化生和其他未指定組織類(lèi)型（5種））中獲得95%的平均分類(lèi)準(zhǔn)確率。與此同時(shí)，還訓(xùn)練了2類(lèi)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以區(qū)分CIN1和正常組織，并獲得敏感性和特異性分別為98%和99%的結(jié)果。

高光譜成像技術(shù)用于體內(nèi)檢測(cè)宮頸上皮內(nèi)瘤變時(shí)，面臨多種限制，例如照明不均勻、設(shè)置成本高昂、體積大以及數(shù)據(jù)采集和處理非常耗時(shí)。為了克服這些限制，Zheng等人獲取了600-800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高光譜圖像立方數(shù)據(jù)，并通過(guò)寬間隔二階導(dǎo)數(shù)分析方法對(duì)其進(jìn)行了處理。該方法有效地減少了由于照明不均勻和背景吸收而引起的圖像偽影。此外，通過(guò)二階導(dǎo)數(shù)分析，只需使用3個(gè)特定的波段（620nm、696nm和772nm）即可實(shí)現(xiàn)具有最佳可分離性的組織分類(lèi)。將3位患者的宮頸高光譜圖像用于分類(lèi)分析，Zheng等人提出的方法將宮頸組織成功地分為正常，炎癥和高級(jí)別病變等3類(lèi)。圖3展示了一位高度病變的宮頸癌患者的分類(lèi)結(jié)果。圖3（a）是應(yīng)用3%5%乙酸后的數(shù)字陰道鏡圖像，由經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生標(biāo)記的黑色圓圈表示高度病變區(qū)域，用紅線分隔的區(qū)域表示那勃氏囊腫的部分。圖3（b）是應(yīng)用魯戈氏碘液后的數(shù)字陰道鏡圖像。圖3（c）是在696nm處的單個(gè)波長(zhǎng)的反射率圖像。圖3（d）是應(yīng)用Zheng等人方法得到的分類(lèi)結(jié)果。由經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生繪制的黑色圓圈表示高度病變區(qū)域，用紅線分隔的區(qū)域表示那勃氏囊腫的部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分類(lèi)結(jié)果與有經(jīng)驗(yàn)的婦科腫瘤學(xué)家在使用乙酸后的分類(lèi)結(jié)果一致。

圖3一位高度病變患者圖像的分類(lèi)結(jié)果

3.3 皮膚癌

皮膚是人體最大的器官，皮膚黑素瘤是高度惡性的皮膚腫瘤。皮膚黑色素瘤的大多數(shù)病例在被診斷后已經(jīng)處于晚期，缺乏有效的治療方法。手術(shù)切除、化學(xué)療法和其他療法只能延長(zhǎng)患有該疾病的患者的壽命。皮膚癌的早期發(fā)現(xiàn)對(duì)于規(guī)劃癌癥病變的有效療法至關(guān)重要。常規(guī)的皮膚診斷是基于對(duì)病變的肉眼檢查，并且檢查結(jié)果準(zhǔn)確度取決于皮膚科醫(yī)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。通過(guò)肉眼檢查無(wú)法確診時(shí)，皮膚科醫(yī)生通常需要進(jìn)行活檢以確認(rèn)病變是否為惡性。該方法存在假陽(yáng)性和假陰性的問(wèn)題，導(dǎo)致不必要的手術(shù)程序。因此，無(wú)創(chuàng)和非侵入的高光譜成像技術(shù)可以在皮膚腫瘤的早期檢測(cè)中發(fā)揮重要的臨床作用。

Nunez等人基于人類(lèi)皮膚的固有屬性，不使用“高光譜到RGB圖像的轉(zhuǎn)換”，使用高光譜儀器（光譜范圍400-2500nm）估計(jì)被識(shí)別為皮膚像素中包含的黑素體的數(shù)量，從而估計(jì)出皮膚的顏色。

為了能夠在早期發(fā)現(xiàn)黑色素瘤，研究人員已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行廣泛研究并開(kāi)發(fā)了自動(dòng)黑色素瘤篩選系統(tǒng)。Nagaoka等人提出一種高光譜黑素瘤篩查系統(tǒng)，并提出了一種基于皮膚色素分子特征的黑素瘤鑒別指數(shù)。Nagaoka等人將高光譜成像儀和黑色素瘤鑒別指數(shù)應(yīng)用于鑒別頭端痣（AN）和急性肺部黑色素瘤（ALM）。通過(guò)診斷性能評(píng)估，該方法獲得了92%的敏感性和86%的特異性，在分子色素水平上提出的客觀黑色素瘤鑒別指數(shù)的性能接近臨床專(zhuān)家。Vyas等人基于人體皮膚的物理模型開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)與高光譜成像相結(jié)合的新方法，無(wú)創(chuàng)地估算生理皮膚參數(shù)，包括黑素體、膠原蛋白、氧飽和度和血容量。

黃怡提出了一種基于特征譜的監(jiān)督最小二乘支持向量機(jī)（CSS-LSSVM）分割方法對(duì)惡性黑色素細(xì)胞進(jìn)行分割。CSS-LSSVM基于傳統(tǒng)的最小二乘支持向量機(jī)（LSS-VM）算法，選擇目標(biāo)樣本的特征譜作為參考，獲得了皮膚黑色素瘤實(shí)驗(yàn)樣品中惡性黑色素細(xì)胞高達(dá)85%的分割精度。圖4顯示了黑色素瘤細(xì)胞識(shí)別實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。與SVM分割方法相比，CSS-LSSVM分割方法可以識(shí)別更多的惡性黑色素瘤細(xì)胞區(qū)域。

高光譜成像是一種新型非侵入性技術(shù)，能夠捕獲超出人眼能力范圍的樣本光譜特性，促進(jìn)色素性皮膚病變（PSL）的檢測(cè)和分類(lèi)。Leon等人提出了基于HSI皮膚病學(xué)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)在450950nm光譜范圍內(nèi)捕獲了125個(gè)光譜帶，獲得了來(lái)自61位患者的76幅PSL高光譜圖像。對(duì)采集的高光譜圖像構(gòu)建PSL數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)庫(kù)內(nèi)樣本進(jìn)行了標(biāo)記和分類(lèi)，分為良性和惡性兩類(lèi)。Leon等人提出了一種基于半監(jiān)督算法的PSL自動(dòng)識(shí)別和分類(lèi)的處理框架。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鑒別惡性和良性PSL的敏感性和特異性結(jié)果分別為87.5%和100%。這項(xiàng)研究初步表明，HSI技術(shù)有潛力在臨床常規(guī)實(shí)踐中使用實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)手持設(shè)備幫助皮膚科醫(yī)生辨別良性和惡性PSL。

圖4黑色素瘤細(xì)胞識(shí)別實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

3.4 胃癌

癌癥檢測(cè)方法可以幫助醫(yī)生診斷癌癥，以安全的邊界解剖惡性區(qū)域，并評(píng)估切除后的腫瘤床。Akbari等人通過(guò)構(gòu)建10名患者胃癌數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)高光譜圖像對(duì)腫瘤的檢測(cè)進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)提取癌性和非癌性組織中的光譜特征進(jìn)行診斷，并將高光譜圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閭尾噬珗D像實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家的診斷標(biāo)記，判斷圖像內(nèi)是否含有胃癌組織并圈出胃癌組織輪廓和癌細(xì)胞。圖5（a）中紅線標(biāo)記的區(qū)域?yàn)槲赴┙M織區(qū)域，圖5（b）中綠線標(biāo)記的區(qū)域?yàn)閱蝹€(gè)癌細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠突出顯示癌性組織與非癌性組織的反射特性之間的差異，證明了該系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。

Goto等人研究了使用高光譜成像儀記錄胃腫瘤和正常黏膜的光譜反射率（SR）的差異，以此確定可用于診斷胃癌的特定波長(zhǎng)。該實(shí)驗(yàn)使用高光譜相機(jī)記錄了日本山口大學(xué)醫(yī)院的96例患者經(jīng)內(nèi)鏡黏膜剝離術(shù)切除的104例胃腫瘤，并確定了將腫瘤與正常黏膜區(qū)分開(kāi)的最佳波長(zhǎng)和臨界值，以建立診斷算法。選擇770nm的波長(zhǎng)和1/4的校正SR的截止值作為各自的最佳波長(zhǎng)和截止值。該算法的特異性和準(zhǔn)確性分別為98%和85%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HSI可用于測(cè)量胃腫瘤中的SR，準(zhǔn)確區(qū)分腫瘤性黏膜和正常黏膜。

Ogihara等人利用校正后的反射率，設(shè)計(jì)了胃癌診斷支持系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，僅通過(guò)訓(xùn)練樣本即可解決選擇最佳波長(zhǎng)和優(yōu)化分類(lèi)器截止值的問(wèn)題。以104例胃癌為樣本，獨(dú)立重復(fù)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)30次，在對(duì)30個(gè)試驗(yàn)的性能進(jìn)行分析后，所得平均敏感性為72.2%，特異性為98.8%。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效支持胃癌篩查。

Hu等人使用高光譜顯微成像技術(shù)建立了30例胃癌患者的高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)?；谖赴┙M織與正常組織在410-910nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜空間特征的差異，Hu等人提出基于深度學(xué)習(xí)的胃癌組織分析方法，研究了胃組織的微觀高光譜特征和個(gè)體差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型對(duì)胃癌和正常胃組織的分類(lèi)準(zhǔn)確率為97.57%，對(duì)胃癌組織的敏感性和特異性分別為97.19%和97.96%。

圖5胃癌組織輪廓和癌細(xì)胞的偽彩色圖像

3.5 口腔癌

口腔癌是一種復(fù)雜的，廣泛傳播的癌癥，嚴(yán)重危害人體的健康。先進(jìn)的技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法可以實(shí)現(xiàn)口腔癌的早期檢測(cè)和分類(lèi)。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助診斷和檢測(cè)可以提高癌癥治療效果。Jeyaraj和Nadar通過(guò)分析口腔癌患者的高光譜圖像，開(kāi)發(fā)了一種用于計(jì)算機(jī)輔助口腔癌自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)算法。在100幅高光譜圖像數(shù)據(jù)訓(xùn)練下，算法分類(lèi)精度為91.4%，靈敏度為0.94，特異性為0.91。

3.6 心臟和循環(huán)病理學(xué)

據(jù)心血管疾病調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，心血管疾病在全球范圍內(nèi)具有較高的疾病致死率。2015年死于心血管疾病的人數(shù)高達(dá)1790萬(wàn)，經(jīng)保守估計(jì)到2030年死亡人數(shù)將增至2360萬(wàn)。心血管疾病的防治任務(wù)對(duì)臨床檢測(cè)分析技術(shù)提出了更高的要求。高光譜成像技術(shù)作為一種新型可視化技術(shù)已應(yīng)用于心臟和循環(huán)系統(tǒng)病理學(xué)的初期探索。

外周動(dòng)脈疾?。≒AD）常引起行走時(shí)的不適或疼痛，可發(fā)生在下肢的各個(gè)部位。在嚴(yán)重的外周動(dòng)脈疾病中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)肢端潰瘍，如果不改善局部的血液循環(huán)，這些潰瘍會(huì)變干變黑，最后壞死。Chin等人利用高光譜成像技術(shù)對(duì)PAD進(jìn)行檢測(cè)和病程評(píng)估。實(shí)驗(yàn)使用可見(jiàn)光HSI系統(tǒng)測(cè)量正常人和PAD患者的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度，從而獲取正常人和PAD患者下肢氧合水平的差異。該研究初步證明高光譜成像能夠無(wú)創(chuàng)檢測(cè)氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度，具有診斷和評(píng)估PAD的應(yīng)用潛力。

易損斑塊具有造成嚴(yán)重心臟病的風(fēng)險(xiǎn)，并且難以使用現(xiàn)有方法進(jìn)行識(shí)別。高光譜成像結(jié)合了光譜和空間信息，為動(dòng)脈粥樣硬化病變的精確光學(xué)表征提供了新的可能性。

Larsen等人使用白光和紫外線照射，從切除的主動(dòng)脈樣本中收集高光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合組織學(xué)使用K均值聚類(lèi)、主成分分析等統(tǒng)計(jì)圖像分析工具和反射率來(lái)評(píng)估高光譜圖像。圖像分析與組織學(xué)相結(jié)合的方法不僅能揭示主動(dòng)脈斑塊的復(fù)雜性和異質(zhì)性，還可以從高光譜圖像中識(shí)別斑塊特征，例如脂質(zhì)和鈣化。大多數(shù)晚期病變區(qū)域被斑塊的外緣或肩部區(qū)域包圍，這被認(rèn)為是易損病變中的薄弱點(diǎn)，這些特征可以在白光和熒光數(shù)據(jù)中識(shí)別出來(lái)。該實(shí)驗(yàn)證明了將高光譜成像用于體外檢測(cè)和鑒定晚期動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的可能性。與常規(guī)的單點(diǎn)光譜測(cè)量相比，高光譜成像可提供更多有關(guān)病變異質(zhì)性的診斷信息。

膽固醇晶體（ChCs）已被認(rèn)為是斑塊易損性的主要因素，并且是動(dòng)脈粥樣硬化的潛在生物標(biāo)志物。然而，在自身組織環(huán)境中，選擇性地檢測(cè)膽固醇是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。Suhalim等人證明了高光譜激發(fā)拉曼散射顯微鏡（SRS）與二次諧波顯微鏡（SHG）相結(jié)合可以選擇性地檢測(cè)ChCs。

4、討論

在過(guò)去的幾十年里，高光譜成像作為一種非接觸、免標(biāo)記的新型光學(xué)診斷技術(shù)，通過(guò)獲取肉眼不可見(jiàn)的附加光譜圖像信息，為臨床醫(yī)學(xué)提供了有效的輔助診斷技術(shù)手段。隨著高光譜成像技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用探索的不斷深化和擴(kuò)展，高光譜成像的醫(yī)學(xué)應(yīng)用可能會(huì)受到成像系統(tǒng)成本和從大量的醫(yī)學(xué)高光譜圖像數(shù)據(jù)中精準(zhǔn)且快速地挖掘出具有重要診斷價(jià)值的特征信息能力的限制。醫(yī)學(xué)高光譜圖像的高空間分辨率、高維度和空譜特征關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，為圖像分析和實(shí)際工程應(yīng)用帶來(lái)很大困難和挑戰(zhàn)。光譜分析方法是僅測(cè)量有限數(shù)量點(diǎn)的點(diǎn)測(cè)量方法，因此，所獲取的光學(xué)特性可能會(huì)因局部組織的不均勻性而產(chǎn)生偏差，并且可能會(huì)丟失重要的診斷信息。盡管光譜學(xué)已被廣泛研究以探測(cè)分子、細(xì)胞和組織特性并表征組織參數(shù)與疾病狀態(tài)的相關(guān)性，但HSI的基礎(chǔ)研究仍尚未深入。

因此，有必要對(duì)醫(yī)學(xué)高光譜圖像的生物學(xué)原理進(jìn)行基礎(chǔ)研究，并利用光譜學(xué)對(duì)HSI系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。HSI非唯一性的存在是HSI的另一個(gè)局限性。HSI技術(shù)從反射率和透射率的測(cè)量中推導(dǎo)出相互作用系數(shù)以間接提取組織內(nèi)光學(xué)特性空間圖，這是一個(gè)不適定的逆問(wèn)題，沒(méi)有唯一解。此外，HSI可以測(cè)量來(lái)自大面積組織的大量光譜信息，但實(shí)踐中很難消除光譜輪廓與生物樣品匹配的模糊性。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道了在不深入分析獲得的圖像數(shù)據(jù)的情況下應(yīng)用HSI的可行性。由于圖像數(shù)據(jù)集通常被限制在特定的儀器上，一些結(jié)果可能缺乏通用性。因此，需要各種疾病的組織、細(xì)胞和分子的可訪問(wèn)、準(zhǔn)確和可持續(xù)更新的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，以便為疾病診斷和治療提供有價(jià)值的工具。例如，腎腫瘤的每一個(gè)亞型都可能具有不同的形態(tài)和分子特征，從而導(dǎo)致光譜特征的差異。因此，腎腫瘤的光譜庫(kù)可以提供參考光譜，以幫助高光譜圖像的解釋。此外，為了充分利用HSI提供的豐富的光譜和空間信息，還需要研究先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘方法。

近20年來(lái)，高光譜成像技術(shù)在硬件和系統(tǒng)上得到了飛速的發(fā)展，在醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。大多數(shù)醫(yī)學(xué)高光譜圖像只探測(cè)光的紫外線、可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域。因此，對(duì)中紅外光譜范圍內(nèi)高光譜圖像的探索有可能為疾病檢測(cè)、診斷和監(jiān)測(cè)帶來(lái)新的見(jiàn)解。此外，高光譜成像技術(shù)與術(shù)前正電子發(fā)射斷層掃描、術(shù)中超聲等其他成像方式相結(jié)合，發(fā)揮各項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，克服高光譜成像技術(shù)對(duì)生物組織的穿透能力的限制，拓寬HSI的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著與顯微鏡、陰道鏡、腹腔鏡和眼底照相機(jī)等技術(shù)的日益融合，高光譜成像技術(shù)為分子、細(xì)胞、組織和器官水平的潛在臨床應(yīng)用提供重要信息。HSI的臨床應(yīng)用顯然處于青春期，需要更多的驗(yàn)證才能將其安全有效地用于臨床實(shí)踐。隨著硬件技術(shù)、圖像分析方法和計(jì)算能力的不斷發(fā)展，HSI有望實(shí)現(xiàn)輔助非侵入性疾病的診斷和監(jiān)測(cè)，癌癥生物標(biāo)志物的鑒定和定量分析，圖像引導(dǎo)的微創(chuàng)手術(shù)、靶向給藥和跟蹤、藥物劑量評(píng)估。

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審核編輯黃宇