高光譜成像系統(tǒng)在病理切片觀察的應(yīng)用

人類相對于動物，有著許多天然的優(yōu)勢，發(fā)達(dá)的大腦，直立行走的能力，但有一樣卻很Normal—眼睛。即便我們擁有全彩視力，最多也只能捕捉到300~780nm波長譜段內(nèi)的可見光，但其實對于我們普通的日常生活，即使在這可見光的譜段內(nèi)觀察事物，也算是足夠了，但當(dāng)我們需要打開微觀世界的大門時，那這明顯并不是一塊好的敲門磚。

說到要觀察微觀世界的事物，與我們生活息息相關(guān)的首件事兒就是觀察病理，科學(xué)家們不能僅依靠他們的眼睛以及高倍顯微鏡來達(dá)到觀察病理的效果。因為天然形式的組織樣本是淡淡無色的，看起來像是連續(xù)的斑點、紋理或者根本就是無結(jié)構(gòu)的。在組織學(xué)中，對于樣本觀察一般采用的做法是—給組織樣本進(jìn)行染色以增強(qiáng)對比度，以此創(chuàng)造出質(zhì)地與顏色的多樣性，突出細(xì)胞的形狀和結(jié)構(gòu)，甚至突出細(xì)胞的組成部分，如細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)。染色樣品可以使它們變得明晰，令科學(xué)家們能夠更好的觀察它們。

▲該圖為在使用了染色劑（蘇木精和曙紅）后在高倍顯微鏡下觀察到的神經(jīng)組織系統(tǒng)，這使得我們可以明顯看到組織中各部分的結(jié)構(gòu)特征。

但是通過這種傳統(tǒng)的對需要觀察的組織進(jìn)行染色的方式，始終屬于外部強(qiáng)行介入的方式，而且其觀察的結(jié)果也會存在些許的矛盾，這通常歸因于進(jìn)行染色的各個組織學(xué)家之間的不同，或是不同染色劑對于特定組織的影響。

觀念可以是不同的，但是科學(xué)不可以。尤其是在對病理的推斷上，些許細(xì)微的矛盾與差異就會造成對整個病理理解的偏差，其后果是完全不可想象的。因此，找到一種新的病理觀察方式，迫在眉睫。

科學(xué)家開發(fā)了一種對醫(yī)學(xué)樣本進(jìn)行虛擬染色的系統(tǒng)，從而可以將未染色的樣本視為已染色。那就是通過使用高光譜成像技術(shù)（HSI），這樣既避免了染色這樣既昂貴又可能會損害樣本的風(fēng)險，又可以提供高精確高質(zhì)量的研究成果。

高光譜是由光譜學(xué)與成像技術(shù)交叉融合所形成的技術(shù)，是一種圖譜合一的成像方式。高光譜相機(jī)主要由光譜儀和成像系統(tǒng)兩大主要部分組成。通過處理分析軟件，在獲得影像中每一個像素點的光譜信息的同時，可以獲得每一個波譜下的影像信息，即獲得一個三維的信息數(shù)據(jù)。光譜分辨率精度可以達(dá)到幾個納米到幾十個納米，這相對于普通的RGB成像更能在不破壞樣本的情況下，精準(zhǔn)的掌握樣本更多的信息。

▲此圖為高光譜成像與普通RGB成像之間的比較。左側(cè)高光譜成像采集了每個波長的圖像，而右側(cè)RGB成像則只采集到紅、綠、藍(lán)波長上的三個圖像。因此，高光譜成像技術(shù)更為立體采集到的圖像更能反映出樣本的真實。

▲以上三圖為樣本采集的對比圖，圖a為使用了單色染色劑后采集的圖像，我們可以看到膠原纖維和平滑肌之間的顏色差異幾乎不明顯。圖c為使用Masson三色染色劑后采集的圖像，雖然組織之間的差異是明顯的，但組織與組織之間的邊界并不清晰。圖b為使用高光譜相機(jī)采集后的圖像，我們可以明顯看到中間圖b顏色更加鮮艷和多樣化，從而使膠原纖維和平滑肌組織之間的區(qū)別更加清晰。

隨著高光譜成像技術(shù)的成熟與發(fā)展，醫(yī)學(xué)界已將該技術(shù)引入到對視網(wǎng)膜疾病的觀察應(yīng)用當(dāng)中。由于眼睛的細(xì)膩特性通常排除了侵入性的活檢或?qū)σ暰W(wǎng)膜的機(jī)械通路。因此，當(dāng)前的視網(wǎng)膜疾病診斷強(qiáng)烈依賴于光學(xué)成像方法。高光譜成像系統(tǒng)通常與眼底照相機(jī)集成在一起，以實現(xiàn)眼睛的光學(xué)成像。

年齡相關(guān)性黃斑變性（AMD）是導(dǎo)致失明的主要原因中老年人，而白細(xì)胞色素C的變化已被確認(rèn)為該病理變化的關(guān)鍵信號，在高光譜成像技術(shù)得到應(yīng)用后，醫(yī)生們可以通過收集的光譜數(shù)據(jù)，對有關(guān)氧化應(yīng)激期間細(xì)胞色素c的氧化狀態(tài)進(jìn)行分析，用來進(jìn)行對病理的判斷與治療。

▲該圖為空間氧飽和度對比圖，圖a為29歲健康男性在使用高光譜成像技術(shù)后的氧飽和度圖，我們可以清晰的看到血管分離以及靜脈與動脈的合理飽和度值。而圖b則為普通成像的效果圖，該圖并不能提供相關(guān)的信息作為參考。圖c為58歲健康男性在使用高光譜成像技術(shù)后的氧飽和度圖。圖d則為普通成像的效果圖，該圖同樣并不能提供相關(guān)的信息作為參考。

高光譜成像技術(shù)不僅可以應(yīng)用在病理的觀察方面，同樣可以對手術(shù)的進(jìn)行有效的指導(dǎo)。腸缺血是指腸血流量減少，這會損害氧氣的輸送并導(dǎo)致脫氧的血液和廢物積聚。這些情況導(dǎo)致細(xì)胞死亡和壞死，導(dǎo)致炎癥和潰瘍。由于解剖結(jié)構(gòu)的變化和手術(shù)的不可預(yù)測性，可見性對于正確診斷手術(shù)中的這些問題至關(guān)重要。而通過高光譜成像系統(tǒng)可以有效區(qū)分不同組織和器官之間的差異，因此允許外科醫(yī)生以較小的侵入性可視化并檢查大面積區(qū)域，而無需實際去除組織。

在高光譜成像系統(tǒng)的幫助下，醫(yī)生們確定了765至830 nm的關(guān)鍵波長范圍，這在正常腸和缺血性腸之間提供了區(qū)分。根據(jù)脾臟，結(jié)腸，小腸，膀胱和腹膜的獨特光譜特征進(jìn)行分割。事實證明，高光譜成像技術(shù)完全可以幫助外科醫(yī)生可視化血管的解剖結(jié)構(gòu)，并在腹部手術(shù)中區(qū)分動脈和靜脈。

▲左側(cè)為普通的RGB圖像。而通過高光譜成像技術(shù)的幫助，我們可以在右側(cè)查看分割的圖像。脾臟顯示為紅色，腹膜為粉紅色，膀胱顯示為藍(lán)色，結(jié)腸顯示為綠色，小腸顯示為黃色。

現(xiàn)如今，高光譜成像技術(shù)已應(yīng)用于各個領(lǐng)域：航空航天、考古學(xué)、植被與水資源控制、食品質(zhì)量與安全監(jiān)控、犯罪現(xiàn)場勘查、生命科學(xué)等等。相信在不久的將來，高光譜成像技術(shù)將會被更為廣泛的應(yīng)用，造福更多的領(lǐng)域。