生物医学领域中的高光谱成像技术应用

高光谱成像技术是一种可以获取材料或物体的光谱信息和空间信息的技术。它通过对物体反射或辐射的光谱进行分析，可以了解材料的成分和结构，对于农业、药物研发、地质勘探等领域有着广泛的应用。

高光谱成像技术（HSI）是一种综合成像和光谱的混合模式，通过在二维检测器阵列的每个像素处采集光谱信息，生成包含空间和光谱信息的三维数据集。

根据不同的空间成像方式，成像光谱仪主要分为三种类型：摆扫式成像光谱仪、推扫式成像光谱仪和凝视式成像光谱仪。摆扫式成像光谱仪通过使用线阵探测器同时获取瞬时视场像素的所有光谱维度信息，通过扫描镜的左右摆动扫描和平台沿轨道运动来完成二维空间成像。这种像素扫描方式具有视场范围广、光谱数据采集稳定性高等优点，但由于采用光机扫描，每个像素的凝视时间较短，严重限制了光谱和空间分辨率以及信噪比。推扫式成像光谱仪采用面阵探测器同时获取待测物空间成像行中每个空间像素的所有光谱维度信息，通过平台沿轨道推扫来实现列方向的空间成像。这种方法是逐行获取数据的，凝视时间增加，可以获得更高的系统灵敏度和数据信噪比，但由于探测器器件尺寸和光学设计的困难，无法获得较大的总视场角。凝视式成像光谱仪利用面阵探测器按顺序记录二维空间不同波段的图像数据。这种成像系统本身没有运动部件，结构紧凑，但由于采用逐波段依次获取数据的方式，需要较长的时间来获取像素的全部光谱信息，因此不适用于测量快速变化的目标，并且光谱分辨率较低，无法满足精细光谱探测的要求。

推扫式高光谱成像系统的图1

2.高光谱成像技术在生物医学领域得到应用。

近十年来的文献研究表明，高光谱成像（HSI）作为一种新型、非接触式的光学诊断技术，在临床医学中提供了一种有效的辅助诊断方法，并且具有巨大的发展潜力。

光谱与图像信息合一的优势使HSI能够同时获取待测物体的图像和光谱信息。当利用HSI对组织进行检测时，光能够穿透一定厚度的生物组织。由于生物组织的结构不均匀性，光会在各个方向上发生散射，并且血红蛋白、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会受到其自身的生物化学和组织学特性的影响，这为鉴别正常组织和癌变组织提供了有力依据。图像中每个像素的光谱特征使得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以及其他疾病检测和手术指导等方面，HSI技术发挥了重要作用。

1疾病诊断

2.癌症的检测方法有很多种。其中一种最常见的方法是通过进行体检和相应的检验，来寻找是否存在癌症的迹象。这些检验可以包括血液测试、X射线、核磁共振扫描（MRI）、计算机断层扫描（CT）等。根据不同类型的癌症，医生也会推荐相应的检测方法。检测癌症的早期很重要，因为早期发现癌症可以提供更多的治疗选择和更好的治疗效果。因此，每个人都应该定期参加癌症检测以及预防检查，以确保及早发现并治疗任何潜在的癌症。

到目前为止，组织病理学仍然是各种癌症诊断的标准方法。然而，这种方法对人体伤害较大且成本高，最终的诊断结果仍然依赖于病理学专家的主观判断，有时候会存在一定的片面性。癌变过程常伴随着组织结构在细胞和亚细胞水平上的变化，这些内部结构和生物化学成分的变化是癌症早期诊断的重要标志。高光谱成像（HSI）将图像技术和光谱技术结合起来，使得借助HSI技术能够同时获取实验对象的化学和物理特征，并具有良好的空间分辨率。在癌症诊断方面，HSI在不同器官具有很大的应用潜力。

这张图展示了正常粘膜组织和肿瘤组织在光谱反射方面的差异。

2.1.2心脏和循环系统的疾病学

心脏病是男性和女性死亡的主要原因之一。人类科学研究所（HSI）一直在探索心脏和循环系统病理学，包括动物和人体研究。外周动脉疾病（PAD）是指动脉粥样硬化引起下肢血管闭塞，可能导致休息疼痛、下肢溃疡甚至截肢等症状。传统方法像踝肱指数等不能准确预测PAD患者组织损伤的愈合，缺乏高度特异性和灵敏性。人类科学研究所利用非侵入性的技术测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，并创建解剖氧合图。

2.糖尿病足是一种慢性并发症，由于长期高血糖导致血液循环受损而引发的。

糖尿病足溃疡是糖尿病患者面临的严重并发症之一。科研人员一直关注于发展新的评估技术来治疗糖尿病足溃疡。近年来，一些研究人员已经测试了HSI定量组织氧合能力(氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)，并预测了糖尿病足溃疡的形成和愈合。

2.1.4其他疾病

1.4其他疾病描述了除已提及的疾病之外的其他健康问题。这些问题包括但不限于以下几种疾病:...

除了上述提到的应用之外，高光谱成像技术（HSI）还在其他生物医学领域得到广泛应用。比如，它可以用于检测龋齿和人喉黏膜的变化，以及视网膜领域等疾病的诊断。此外，HSI在除皮肤癌以外的其他皮肤疾病的检测方面也发挥着重要作用，比如用于皮瓣移植预后及监测、皮损检测、皮肤色素检测等。皮瓣移植手术后常常会出现血运障碍，而严重情况下可能导致大面积组织坏死或手术失败。通过术后早期的监测，外科医生可以进行及时干预以减小并发症的影响。

在图2中展示了牙齿表面的近红外光谱反射率曲线。

病变区域以红色表示，损伤区域以蓝色表示，而健康区域以黑色表示。

2手术指导

手术是一门医学专业，通过使用医学中最具侵入性的工具来诊断或治疗一些病理状况，以帮助改善身体功能。进行任何外科手术都会对患者的健康产生一定的风险。手术的成功与手术室设备的优劣、外科医生的技术以及手术过程中的可视性有关，这包括目标和周围组织的对比度以及表面以下的视野。能够准确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。高光谱成像技术（HSI）能够为外科医生提供有关病变区域在分子、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。

3结论

高光谱成像（HSI）拥有图像和光谱合一的重要特点，具备获取信息全面、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新兴的生物医学成像方法之一，它可以提供关于患者、组织样本或不同疾病状况更丰富的光谱范围和准确的空间信息，包括可见光谱、红外光谱和紫外光谱等。既可以反映样本的大小、形状、缺陷等外部特征，又可以反映其内部物理结构和化学成分的差异。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经取得了重大进展，成为一种非侵入性且快速的人体疾病检测手段和方法，并可作为手术视觉辅助工具。

然而，作为一项新兴技术，HSI也有一些限制。目前，高光谱检测技术在医学领域的应用仅停留在实验阶段。原因在于需要从每个医学高光谱图像中提取大量的数据并提取有用的信息。处理数据、进行校准和校正、数据压缩、降低谱维数、数据分析（检测和分类）以及确定最终结果都需要一定的时间。这也是在生物医学领域应用时面临的主要挑战。同时，更高的光谱分辨率、空间分辨率和更大的光谱数据库将提供更多的光谱和空间信息。因此，如何实时快速地获取目标物体的图像，如何有效地将光谱仪器和算法整合在一起，以在短时间内得出诊断结果，如何与其他成像方法结合，以及研究宽波段光谱仪等，都是未来的主要研究方向。随着HSI技术的不断发展和改进，它在生物医学领域将得到更广泛的应用，并发挥更大的作用。