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高光谱成像系统在病理切片观察的应用

2021.3.01

观察它，就染了它

人类相对于动物，有着许多天然的优势，发达的大脑，直立行走的能力，但有一样却很Normal—眼睛。即便我们拥有全彩视力，最多也只能捕捉到300~780nm波长谱段内的可见光，但其实对于我们普通的日常生活，即使在这可见光的谱段内观察事物，也算是足够了，但当我们需要打开微观世界的大门时，那这明显并不是一块好的敲门砖。

说到要观察微观世界的事物，与我们生活息息相关的首件事儿就是观察病理，科学家们不能仅依靠他们的眼睛以及高倍显微镜来达到观察病理的最佳效果。因为天然形式的组织样本是淡淡无色的，看起来像是连续的斑点、纹理或者根本就是无结构的。在组织学中，对于样本观察一般采用的做法是—给组织样本进行染色以增强对比度，以此创造出质地与颜色的多样性，突出细胞的形状和结构，甚至突出细胞的组成部分，如细胞核和细胞质。染色样品可以使它们变得明晰，令科学家们能够更好的观察它们。

▲该图为在使用了染色剂（苏木精和曙红）后在高倍显微镜下观察到的神经组织系统，这使得我们可以明显看到组织中各部分的结构特征。

但是通过这种传统的对需要观察的组织进行染色的方式，始终属于外部强行介入的方式，而且其观察的结果也会存在些许的矛盾，这通常归因于进行染色的各个组织学家之间的不同，或是不同染色剂对于特定组织的影响。

观念可以是不同的，但是科学不可以。尤其是在对病理的推断上，些许细微的矛盾与差异就会造成对整个病理理解的偏差，其后果是完全不可想象的。因此，找到一种新的病理观察方式，迫在眉睫。

视力不够，光谱来凑

科学家开发了一种对医学样本进行虚拟染色的系统，从而可以将未染色的样本视为已染色。那就是通过使用高光谱成像技术（HSI），这样既避免了染色这样既昂贵又可能会损害样本的风险，又可以提供高精确高质量的研究成果。

高光谱是由光谱学与成像技术交叉融合所形成的技术，是一种图谱合一的成像方式。高光谱相机主要由光谱仪和成像系统两大主要部分组成。通过处理分析软件，在获得影像中每一个像素点的光谱信息的同时，可以获得每一个波谱下的影像信息，即获得一个三维的信息数据。光谱分辨率精度可以达到几个纳米到几十个纳米，这相对于普通的RGB成像更能在不破坏样本的情况下，精准的掌握样本更多的信息。

▲此图为高光谱成像与普通RGB成像之间的比较。左侧高光谱成像采集了每个波长的图像，而右侧RGB成像则只采集到红、绿、蓝波长上的三个图像。因此，高光谱成像技术更为立体采集到的图像更能反映出样本的真实。

▲以上三图为样本采集的对比图，图a为使用了单色染色剂后采集的图像，我们可以看到胶原纤维和平滑肌之间的颜色差异几乎不明显。图c为使用Masson三色染色剂后采集的图像，虽然组织之间的差异是明显的，但组织与组织之间的边界并不清晰。图b为使用高光谱相机采集后的图像，我们可以明显看到中间图b颜色更加鲜艳和多样化，从而使胶原纤维和平滑肌组织之间的区别更加清晰。

高光谱成像技术的应用

随着高光谱成像技术的成熟与发展，医学界已将该技术引入到对视网膜疾病的观察应用当中。由于眼睛的细腻特性通常排除了侵入性的活检或对视网膜的机械通路。因此，当前的视网膜疾病诊断强烈依赖于光学成像方法。高光谱成像系统通常与眼底照相机集成在一起，以实现眼睛的光学成像。

年龄相关性黄斑变性（AMD）是导致失明的主要原因中老年人，而白细胞色素C的变化已被确认为该病理变化的关键信号，在高光谱成像技术得到应用后，医生们可以通过收集的光谱数据，对有关氧化应激期间细胞色素c的氧化状态进行分析，用来进行对病理的判断与治疗。

▲该图为空间氧饱和度对比图，图a为29岁健康男性在使用高光谱成像技术后的氧饱和度图，我们可以清晰的看到血管分离以及静脉与动脉的合理饱和度值。而图b则为普通成像的效果图，该图并不能提供相关的信息作为参考。图c为58岁健康男性在使用高光谱成像技术后的氧饱和度图。图d则为普通成像的效果图，该图同样并不能提供相关的信息作为参考。

高光谱成像技术不仅可以应用在病理的观察方面，同样可以对手术的进行有效的指导。肠缺血是指肠血流量减少，这会损害氧气的输送并导致脱氧的血液和废物积聚。这些情况导致细胞死亡和坏死，导致炎症和溃疡。由于解剖结构的变化和手术的不可预测性，可见性对于正确诊断手术中的这些问题至关重要。而通过高光谱成像系统可以有效区分不同组织和器官之间的差异，因此允许外科医生以较小的侵入性可视化并检查大面积区域，而无需实际去除组织。

在高光谱成像系统的帮助下，医生们确定了765至830 nm的关键波长范围，这在正常肠和缺血性肠之间提供了最佳区分。根据脾脏，结肠，小肠，膀胱和腹膜的独特光谱特征进行分割。事实证明，高光谱成像技术完全可以帮助外科医生可视化血管的解剖结构，并在腹部手术中区分动脉和静脉。