高光譜成像技術(shù)是一種可以獲取材料或物體的光譜信息和空間信息的技術(shù)。它通過對物體反射或輻射的光譜進行分析，可以了解材料的成分和結(jié)構(gòu)，對于農(nóng)業(yè)、藥物研發(fā)、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

高光譜成像技術(shù)（HSI）是一種綜合成像和光譜的混合模式，通過在二維檢測器陣列的每個像素處采集光譜信息，生成包含空間和光譜信息的三維數(shù)據(jù)集。

根據(jù)不同的空間成像方式，成像光譜儀主要分為三種類型：擺掃式成像光譜儀、推掃式成像光譜儀和凝視式成像光譜儀。擺掃式成像光譜儀通過使用線陣探測器同時獲取瞬時視場像素的所有光譜維度信息，通過掃描鏡的左右擺動掃描和平臺沿軌道運動來完成二維空間成像。這種像素掃描方式具有視場范圍廣、光譜數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性高等優(yōu)點，但由于采用光機掃描，每個像素的凝視時間較短，嚴(yán)重限制了光譜和空間分辨率以及信噪比。推掃式成像光譜儀采用面陣探測器同時獲取待測物空間成像行中每個空間像素的所有光譜維度信息，通過平臺沿軌道推掃來實現(xiàn)列方向的空間成像。這種方法是逐行獲取數(shù)據(jù)的，凝視時間增加，可以獲得更高的系統(tǒng)靈敏度和數(shù)據(jù)信噪比，但由于探測器器件尺寸和光學(xué)設(shè)計的困難，無法獲得較大的總視場角。凝視式成像光譜儀利用面陣探測器按順序記錄二維空間不同波段的圖像數(shù)據(jù)。這種成像系統(tǒng)本身沒有運動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，但由于采用逐波段依次獲取數(shù)據(jù)的方式，需要較長的時間來獲取像素的全部光譜信息，因此不適用于測量快速變化的目標(biāo)，并且光譜分辨率較低，無法滿足精細(xì)光譜探測的要求。

推掃式高光譜成像系統(tǒng)的圖1

2.高光譜成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

近十年來的文獻研究表明，高光譜成像（HSI）作為一種新型、非接觸式的光學(xué)診斷技術(shù)，在臨床醫(yī)學(xué)中提供了一種有效的輔助診斷方法，并且具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

光譜與圖像信息合一的優(yōu)勢使HSI能夠同時獲取待測物體的圖像和光譜信息。當(dāng)利用HSI對組織進行檢測時，光能夠穿透一定厚度的生物組織。由于生物組織的結(jié)構(gòu)不均勻性，光會在各個方向上發(fā)生散射，并且血紅蛋白、黑色素和水會吸收不同波長的光。因此，不同組織或器官的反射光譜會受到其自身的生物化學(xué)和組織學(xué)特性的影響，這為鑒別正常組織和癌變組織提供了有力依據(jù)。圖像中每個像素的光譜特征使得HSI技術(shù)能夠識別各種病理狀況。在非侵入性癌癥檢測、糖尿病足潰瘍、心臟和循環(huán)系統(tǒng)病理學(xué)以及其他疾病檢測和手術(shù)指導(dǎo)等方面，HSI技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

1疾病診斷

2.癌癥的檢測方法有很多種。其中一種最常見的方法是通過進行體檢和相應(yīng)的檢驗，來尋找是否存在癌癥的跡象。這些檢驗可以包括血液測試、X射線、核磁共振掃描（MRI）、計算機斷層掃描（CT）等。根據(jù)不同類型的癌癥，醫(yī)生也會推薦相應(yīng)的檢測方法。檢測癌癥的早期很重要，因為早期發(fā)現(xiàn)癌癥可以提供更多的治療選擇和更好的治療效果。因此，每個人都應(yīng)該定期參加癌癥檢測以及預(yù)防檢查，以確保及早發(fā)現(xiàn)并治療任何潛在的癌癥。

到目前為止，組織病理學(xué)仍然是各種癌癥診斷的標(biāo)準(zhǔn)方法。然而，這種方法對人體傷害較大且成本高，最終的診斷結(jié)果仍然依賴于病理學(xué)專家的主觀判斷，有時候會存在一定的片面性。癌變過程常伴隨著組織結(jié)構(gòu)在細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上的變化，這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)成分的變化是癌癥早期診斷的重要標(biāo)志。高光譜成像（HSI）將圖像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合起來，使得借助HSI技術(shù)能夠同時獲取實驗對象的化學(xué)和物理特征，并具有良好的空間分辨率。在癌癥診斷方面，HSI在不同器官具有很大的應(yīng)用潛力。

這張圖展示了正常粘膜組織和腫瘤組織在光譜反射方面的差異。

2.1.2心臟和循環(huán)系統(tǒng)的疾病學(xué)

心臟病是男性和女性死亡的主要原因之一。人類科學(xué)研究所（HSI）一直在探索心臟和循環(huán)系統(tǒng)病理學(xué)，包括動物和人體研究。外周動脈疾病（PAD）是指動脈粥樣硬化引起下肢血管閉塞，可能導(dǎo)致休息疼痛、下肢潰瘍甚至截肢等癥狀。傳統(tǒng)方法像踝肱指數(shù)等不能準(zhǔn)確預(yù)測PAD患者組織損傷的愈合，缺乏高度特異性和靈敏性。人類科學(xué)研究所利用非侵入性的技術(shù)測量氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度，并創(chuàng)建解剖氧合圖。

2.糖尿病足是一種慢性并發(fā)癥，由于長期高血糖導(dǎo)致血液循環(huán)受損而引發(fā)的。

糖尿病足潰瘍是糖尿病患者面臨的嚴(yán)重并發(fā)癥之一。科研人員一直關(guān)注于發(fā)展新的評估技術(shù)來治療糖尿病足潰瘍。近年來，一些研究人員已經(jīng)測試了HSI定量組織氧合能力(氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白)，并預(yù)測了糖尿病足潰瘍的形成和愈合。

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問題。這些問題包括但不限于以下幾種疾病:...

除了上述提到的應(yīng)用之外，高光譜成像技術(shù)（HSI）還在其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。比如，它可以用于檢測齲齒和人喉黏膜的變化，以及視網(wǎng)膜領(lǐng)域等疾病的診斷。此外，HSI在除皮膚癌以外的其他皮膚疾病的檢測方面也發(fā)揮著重要作用，比如用于皮瓣移植預(yù)后及監(jiān)測、皮損檢測、皮膚色素檢測等。皮瓣移植手術(shù)后常常會出現(xiàn)血運障礙，而嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致大面積組織壞死或手術(shù)失敗。通過術(shù)后早期的監(jiān)測，外科醫(yī)生可以進行及時干預(yù)以減小并發(fā)癥的影響。

在圖2中展示了牙齒表面的近紅外光譜反射率曲線。

病變區(qū)域以紅色表示，損傷區(qū)域以藍色表示，而健康區(qū)域以黑色表示。

2手術(shù)指導(dǎo)

手術(shù)是一門醫(yī)學(xué)專業(yè)，通過使用醫(yī)學(xué)中最具侵入性的工具來診斷或治療一些病理狀況，以幫助改善身體功能。進行任何外科手術(shù)都會對患者的健康產(chǎn)生一定的風(fēng)險。手術(shù)的成功與手術(shù)室設(shè)備的優(yōu)劣、外科醫(yī)生的技術(shù)以及手術(shù)過程中的可視性有關(guān)，這包括目標(biāo)和周圍組織的對比度以及表面以下的視野。能夠準(zhǔn)確確定病變部位及其邊緣位置將直接影響外科手術(shù)的成功率。高光譜成像技術(shù)（HSI）能夠為外科醫(yī)生提供有關(guān)病變區(qū)域在分子、細(xì)胞和組織水平上的圖像信息。因此，HSI作為術(shù)中視力輔助工具已廣泛應(yīng)用于各種外科手術(shù)中。

3結(jié)論

高光譜成像（HSI）擁有圖像和光譜合一的重要特點，具備獲取信息全面、測量波段范圍廣、無需破壞被測物、檢測精度高等優(yōu)勢。目前，高光譜成像已經(jīng)成為了新興的生物醫(yī)學(xué)成像方法之一，它可以提供關(guān)于患者、組織樣本或不同疾病狀況更豐富的光譜范圍和準(zhǔn)確的空間信息，包括可見光譜、紅外光譜和紫外光譜等。既可以反映樣本的大小、形狀、缺陷等外部特征，又可以反映其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的差異。這些特點使得HSI在改進醫(yī)學(xué)診斷和臨床研究領(lǐng)域具有巨大潛力。HSI在疾病診斷和手術(shù)指導(dǎo)方面已經(jīng)取得了重大進展，成為一種非侵入性且快速的人體疾病檢測手段和方法，并可作為手術(shù)視覺輔助工具。

然而，作為一項新興技術(shù)，HSI也有一些限制。目前，高光譜檢測技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用僅停留在實驗階段。原因在于需要從每個醫(yī)學(xué)高光譜圖像中提取大量的數(shù)據(jù)并提取有用的信息。處理數(shù)據(jù)、進行校準(zhǔn)和校正、數(shù)據(jù)壓縮、降低譜維數(shù)、數(shù)據(jù)分析（檢測和分類）以及確定最終結(jié)果都需要一定的時間。這也是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用時面臨的主要挑戰(zhàn)。同時，更高的光譜分辨率、空間分辨率和更大的光譜數(shù)據(jù)庫將提供更多的光譜和空間信息。因此，如何實時快速地獲取目標(biāo)物體的圖像，如何有效地將光譜儀器和算法整合在一起，以在短時間內(nèi)得出診斷結(jié)果，如何與其他成像方法結(jié)合，以及研究寬波段光譜儀等，都是未來的主要研究方向。隨著HSI技術(shù)的不斷發(fā)展和改進，它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用，并發(fā)揮更大的作用。