高光谱成像技术在生物医学领域的应用

1. 什么是高光谱成像技术？

高光谱成像是一种结合成像和光谱的技术, 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, 并称之为超立方体, 如图1所示。利用空间信息, 可以定位样本上每个光谱的来源, 这样可以更完整地探测光与病理组织之间的相互作用; 利用图像中每个像素的光谱特征, 可以识别不同的病理状况。

三维高光谱图像及光谱

在生物医学应用领域, 高光谱成像是一个新兴的,非破坏性的,先进的光学技术,它具有光谱和成像的双重功能,这种双重功能使得高光谱成像能够同时提供实验对象的化学和物理特征,并具有良好的空间分辨率。高光谱成像作为一种特殊光学诊断技术，具有成像系统多样化、研究对象广泛化、临床诊断实用化和分析方法功能化等特征，在特定波长下, 不同病理状态组织的化学组成和物理特征有着不同的反射率、吸收度, 通过分析这些光谱信号可以实现组织状态信息的定性或定量检测, 并根据高光谱图像提供的空间分布信息, 实现组织不同病态的可视化, 从而诊断组织疾病状态，为临床医学提供了一种有效的辅助诊断手段。

2. 高光谱成像技术在医学医疗中的应用

高光谱成像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。利用高光谱（简称：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。

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。

2.1  疾病诊断

1）胃癌

据世界卫生组织估计，就全球范围内而言，胃癌高居最常见恶性肿瘤第5位、肿瘤致死率第3位, 是严重影响人类健康的重大疾病。2015年, Goto等[10]利用高光谱成像系统，获取了104个胃部手术切除组织的高光谱图像。经过图像和光谱预处理后, 发现胃癌组织和正常组织的光谱之间存在差异，在波长600 nm以上时, 胃癌组织光谱反射系数较高。利用图像增强技术, HSI诊断的灵敏度、特异性和准确率分别为71%、98%和85%。下图1显示了正常粘膜组织和肿瘤组织的光谱反射曲线。图2所示为胃腺瘤的图片实例，利用上述实验方法和结果完全可以在组织颜色极其相似的情况下找到腺瘤组织(图上箭头所指)。

图1：正常粘膜组织和肿瘤组织的光谱反射曲线

图2：高光谱相机处理过程

(a)胃窦前壁胃腺瘤的食管胃十二指肠镜检查图像； (b)图像处理前的高光谱相机图像； (c) 770 nm波长处的SR以双色灰度进行图像处理； (d)高光谱数据分析仪对基于770 nm波长处的SR以20色渐变进行图像处理

2) 宫颈癌

宫颈癌是女性第二大常见癌症, 可以通过二级预防降低发病率和死亡率。光谱学技术作为一种非侵入性临床诊断技术, 通过组织的光谱特征对病变进行识别并指导组织活检, 可大大提高宫颈病变活检阳性率, 为宫颈病变临床诊断提供了一种可靠的方法，突破了普通阴道镜受医师临床经验的限制。图1(a)(b)(d)为基于SDT分析的未染色病理切片的实验结果; 图1(c)为与之对照的H&E染色病理切片, 黑色线条所示为癌症组织图像, 图1(d)中箭头所示为大部分癌组织, 三角所示为微小的假阳性结果, 这可能是未开封和未染色的切片污垢和其他伪像造成的。上述微观高光谱成像方法可以在病理诊断肿瘤之前为病理学家提供成像指导。

图1：基于于宽间隙二阶导数分析的病理切片分类结果

(a)两种不同区域组织的平均透射率曲线; (b)对应的宽间隙SDT光谱; (c) H&E 染色的组织学病理切片显示的癌症组织; (d)基于宽间隙SDT方法与分割算法相结合的分类结果

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。

 胰腺组织的反射光谱

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。

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