高光譜成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用

癌癥診斷

高光譜成像技術(shù)可以捕捉到癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的光譜差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥的早期診斷。這對(duì)于提高癌癥患者的生存率、降低治療成本具有重要意義。

心血管疾病診斷

高光譜成像技術(shù)可以分析心臟組織、血管等部位的光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)心血管疾病的早期診斷和評(píng)估。這對(duì)于預(yù)防心血管事件的發(fā)生、制定有效的治療方案具有重要價(jià)值。

皮膚疾病診斷

高光譜成像技術(shù)可以捕捉到皮膚組織的光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚疾病的快速、準(zhǔn)確診斷。這對(duì)于皮膚科醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷和治療具有重要幫助。

口腔疾病診斷

高光譜成像技術(shù)可以分析口腔組織、牙齒等部位的光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)口腔疾病的早期診斷和評(píng)估。這對(duì)于保持口腔健康、預(yù)防口腔疾病的發(fā)展具有重要作用。

眼科診斷

高光譜成像技術(shù)可以捕捉到眼部組織的光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)眼部疾病的快速、準(zhǔn)確診斷。這對(duì)于眼科醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷和治療具有重要意義。

高光譜成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用為醫(yī)生提供了一種有效的手段來(lái)早期發(fā)現(xiàn)和診斷疾病。隨著高光譜成像技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在未來(lái)它將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為人類(lèi)的健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

高光譜成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用案例

基于顯微熒光高光譜結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)癌細(xì)胞判定研究

熒光高光譜成像技術(shù)可以同時(shí)獲取樣品的光譜信息（Spectral information）和空間信息（Spatial information）。在疾病診斷方面，主要通過(guò)熒光光譜成像技術(shù)對(duì)人體組織或者細(xì)胞的熒光物質(zhì)成分濃度及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，可以為醫(yī)生提供更多客觀、可靠的診斷信息，為疾病診斷提供快速、準(zhǔn)確的新方法；此外，通過(guò)特定的熒光圖像進(jìn)行分析，鑒別病變組織或細(xì)胞為醫(yī)生手術(shù)提供有力的指導(dǎo)。在癌癥診斷方面，熒光高光譜成像技術(shù)主要應(yīng)用于腫瘤診斷及手術(shù)切緣判斷。根據(jù)產(chǎn)生是否需要熒光增強(qiáng)和標(biāo)記分為外源性熒光物質(zhì)成像和自發(fā)性熒光成像。在腦腫瘤手術(shù)中，手術(shù)的切緣判斷準(zhǔn)確與否關(guān)系到患者的預(yù)后及癌癥復(fù)發(fā)的概率。

高光譜熒光成像技術(shù)應(yīng)用于阿爾茨海默病的早期檢測(cè)

早在臨床診斷為阿爾茨海默病相關(guān)性癡呆之前的20 年，就可以通過(guò)PET檢測(cè)到腦Aβ沉積物。PET可能不適合阿爾茨海默病篩查，因?yàn)槠渚哂星秩胄?、成本高且無(wú)法用于常規(guī)臨床使用或人群篩查。在整個(gè)視網(wǎng)膜中也發(fā)現(xiàn)了Aβ沉積物，這是間腦的發(fā)育產(chǎn)物，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)共享生理和病理途徑。

來(lái)自美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Xiaobo Mao團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，盡管對(duì)阿爾茨海默病的理解有所進(jìn)步，但一種適用于阿爾茨海默病全人群篩查的方法仍在開(kāi)發(fā)中。由于在不可逆的腦神經(jīng)變性和認(rèn)知能力下降之前觀察到視網(wǎng)膜 Aβ負(fù)荷升高，因此許多研究已經(jīng)探索了這些Aβ聚集的非侵入性成像以檢測(cè)阿爾茨海默病。檢測(cè)Aβ視網(wǎng)膜的方法包括熒光成像標(biāo)記，這已被證明可以成功地使這些沉積物可視化。然而，只有姜黃素已被證明適用于活的人類(lèi)受試者。雖然沒(méi)有外在熒光團(tuán)的高光譜成像不能使視網(wǎng)膜Aβ沉積物可視化，但它也已成功地檢測(cè)到人類(lèi)受試者體內(nèi)視網(wǎng)膜Aβ負(fù)載增加。然而，在應(yīng)用于臨床之前，需要大樣本人群試驗(yàn)以表征視網(wǎng)膜Aβ的表現(xiàn)。

麻省理工新型成像技術(shù)，有助早期發(fā)現(xiàn)腫瘤

麻省理工學(xué)院研究人員在新一期英國(guó)《科學(xué)報(bào)告》期刊上發(fā)表報(bào)告說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)900至1700納米的近紅外光非常適合對(duì)身體組織成像，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)的光在碰到物體時(shí)不容易散射，能更深地穿透身體組織。根據(jù)這一原理，他們采用高光譜成像方法，在多個(gè)波長(zhǎng)的光中同時(shí)成像。通過(guò)分析高光譜掃描數(shù)據(jù)，可確定不同波長(zhǎng)的熒光光源，從而確定探針的位置和深度。

在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究人員用這套成像系統(tǒng)追蹤被實(shí)驗(yàn)動(dòng)物吞下、穿過(guò)其消化道的直徑為0.1毫米的熒光探針，通過(guò)這些探針來(lái)定位特定的癌細(xì)胞，并進(jìn)行熒光標(biāo)記。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這套系統(tǒng)可成功識(shí)別幾百個(gè)細(xì)胞組成的微小腫瘤，且探測(cè)深度可達(dá)8厘米，超過(guò)現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)。

論文作者之一、麻省理工學(xué)院生物工程系主任安杰拉·貝爾徹說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是以無(wú)創(chuàng)的方式發(fā)現(xiàn)微小腫瘤，以便及早發(fā)現(xiàn)和診治癌癥。目前，他們正在運(yùn)用該成像技術(shù)嘗試早期卵巢腫瘤及胰腺癌、腦癌和黑色素瘤等的探測(cè)。

高光譜成像相機(jī)技術(shù)快速檢測(cè)藥用膠囊鉻含量案例

基于高光譜在重金屬檢測(cè)上的可行性本文用常規(guī)的原子吸收光譜法對(duì)收集到的正常與鉻含量超標(biāo)的MEHGC檢測(cè)的結(jié)果作為對(duì)照，再用高光譜采集兩種MEHGC的數(shù)據(jù)，用主成分分析法（PCA）與偏最小二乘法對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終建立相關(guān)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)“毒膠囊”的定性檢測(cè)。

由于高光譜數(shù)據(jù)由多個(gè)波段圖像組成，可把每一幅圖像看作一個(gè)特征，若對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，將會(huì)使得原始數(shù)據(jù)變化到一個(gè)新的坐標(biāo)系統(tǒng)，以使圖像數(shù)據(jù)的差異達(dá)到最大，所得到的結(jié)果將會(huì)與原來(lái)圖像相差很大。這一技術(shù)對(duì)于增強(qiáng)信息含量，隔離噪聲及減少數(shù)據(jù)維數(shù)非常有效。對(duì)高光譜圖像進(jìn)行PCA 降維后所得到的前4個(gè)主成分見(jiàn)圖1。

高光譜圖像的優(yōu)勢(shì)之處在于不但有圖像信息，而且有光譜信息。要得到光譜信息，先對(duì)每個(gè)樣本選擇感興趣區(qū)域，每個(gè)感興趣區(qū)域有其光譜響應(yīng)曲線。由于膠囊帽和膠囊體二者之間的顏色不同，為了消除顏色對(duì)結(jié)果的影響，每個(gè)膠囊選擇2個(gè)感興趣區(qū)域（膠囊帽和膠囊體上各選擇一個(gè)感興趣區(qū)域），感興趣區(qū)域可在膠囊的高光譜圖像上隨機(jī)選取，每個(gè)區(qū)域的像素?cái)?shù)范圍為2～6，最終感興趣區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有像素的平均值。4種不同區(qū)域（分別為正常膠囊和“毒膠囊”的膠囊體和膠囊帽）的光譜曲線見(jiàn)圖2。

在450~900 nm的高光譜數(shù)據(jù)中，通過(guò)選擇感興趣區(qū)域得到正常膠囊和“毒膠囊”的光譜數(shù)據(jù)，先對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，再通過(guò)PLS-DA對(duì)數(shù)據(jù)降維及判別分析，當(dāng)選擇4個(gè)PLS算子作為輸入特征時(shí)，正常膠囊和“毒膠囊”的識(shí)別率達(dá)到100%，特異度和敏感度也為100%；由此可知，可用PLS-DA判別方法對(duì)正常膠囊和“毒膠囊”進(jìn)行區(qū)分。利用高光譜圖像技術(shù)對(duì)“毒膠囊”檢測(cè)，可以大大降低傳統(tǒng)方法的復(fù)雜度。