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(duì)物體反射或輻射的光譜進(jìn)行分析，可以了解材料的成分和結(jié)構(gòu)，對(duì)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(cè)器陣列的每個(gè)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(cè)器同時(shí)獲取瞬時(shí)視場像素的所有光譜維度信息，通過掃描鏡的左右擺動(dòng)掃描和平臺(tái)沿軌道運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，但由于采用光機(jī)掃描，每個(gè)像素的凝視時(shí)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(cè)器同時(shí)獲取待測(cè)物空間成像行中每個(gè)空間像素的所有光譜維度信息，通過平臺(tái)沿軌道推掃來實(shí)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(shí)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(cè)器器件尺寸和光學(xué)設(shè)計(jì)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(cè)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(yùn)動(dòng)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(shí)間來獲取像素的全部光譜信息，因此不適用于測(cè)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(cè)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(xiàn)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(shì)使HSI能夠同時(shí)獲取待測(cè)物體的圖像和光譜信息。當(dāng)利用HSI對(duì)組織進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，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(huì)在各個(gè)方向上發(fā)生散射，并且血紅蛋白、黑色素和水會(huì)吸收不同波長的光。因此，不同組織或器官的反射光譜會(huì)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(gè)像素的光譜特征使得HSI技術(shù)能夠識(shí)別各種病理狀況。在非侵入性癌癥檢測(cè)、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(cè)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(cè)方法有很多種。其中一種最常見的方法是通過進(jìn)行體檢和相應(yīng)的檢驗(yàn)，來尋找是否存在癌癥的跡象。這些檢驗(yàn)可以包括血液測(cè)試、X射線、核磁共振掃描（MRI）、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）等。根據(jù)不同類型的癌癥，醫(yī)生也會(huì)推薦相應(yīng)的檢測(cè)方法。檢測(cè)癌癥的早期很重要，因?yàn)樵缙诎l(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(gè)人都應(yīng)該定期參加癌癥檢測(cè)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(duì)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(shí)候會(huì)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(shí)獲取實(shí)驗(yàn)對(duì)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(dòng)物和人體研究。外周動(dòng)脈疾?。≒AD）是指動(dòng)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(cè)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(cè)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(píng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)、皮損檢測(cè)、皮膚色素檢測(cè)等。皮瓣移植手術(shù)后常常會(huì)出現(xiàn)血運(yùn)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(cè)，外科醫(yī)生可以進(jìn)行及時(shí)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(lán)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(jìn)行任何外科手術(shù)都會(huì)對(duì)患者的健康產(chǎn)生一定的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)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?yàn)橥饪漆t(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(diǎn)，具備獲取信息全面、測(cè)量波段范圍廣、無需破壞被測(cè)物、檢測(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)使得HSI在改進(jìn)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(jìn)展，成為一種非侵入性且快速的人體疾病檢測(cè)手段和方法，并可作為手術(shù)視覺輔助工具。

然而，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，HSI也有一些限制。目前，高光譜檢測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用僅停留在實(shí)驗(yàn)階段。原因在于需要從每個(gè)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(jìn)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(cè)和分類）以及確定最終結(jié)果都需要一定的時(shí)間。這也是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)。同時(shí)，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(shí)時(shí)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(shí)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(jìn)，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。