光谱成像技术的原理

光谱成像技术融合了光谱分析和图像分析两项传统光学诊断技术，采用光谱扫描、激发和采集技术，使每一像点正确具有与对应物点物理、化学信息对应的光谱信息量值，经适当的数字处理、光谱标定后可提供试样各点物理、化学特性的相对或绝对表征。

光谱分析是已经高度发展的成熟技术，具有一系列明显优点:分析灵敏度高、准确性好、方便快捷等。近年来结合光机电等各领域的最新成果在传统光谱技术和光谱仪器已有基础上，已经发展出一系列新颖的光谱分析技术，在技术性能和应用范围各方面都有了很多进展，已成为生物医学高新研究和应用领域的有力手段。鉴于生物医学应用面对大量有机或生物试样，采用荧光手段是最合适的，因为大多数有机物和生物试样能在适当激发波长照射激发出一定的荧光(自发荧光)或采用适当的荧光探针对试样进行标记从而发出标记荧光，而且荧光分析是最灵敏的光谱分析手段。所采集的光学图像经图像卡变换成数字图像信号输入计算机进行处理、存储和显示。

图像是反应客观事物或过程某些与空间、时间有相互关联的特征量的信息阵列。映射产生图像，图像反映或描述客观事物或其运动过程，它们之间的关系可以表示如下。

客观事物或者过程(特征量)图像信息

图8－3　光谱成像技术原理示意图

一般来说，如图8－3所示，图像用函数形式可以表示为I=f(x，y，z，t，λ……)，其中I为像素值，x、y、z为三维空间坐标，t为时间坐标，λ为波长坐标。近20年成像技术发展得很快，特别是在图像的空间分辨率和时间分辨率方面。如扫描隧道显微镜已经观察到物体表面原子的排列图像，核磁共振波谱成像技术已经可以描绘中、小型蛋白质分子结构中原子的三维空间分布图像，它们的空间分辨率已经达到10－11m。高速摄影技术已经能够观察到激光核聚变过程中时间分辨率达到10－11 s的扫描图像，伴随着飞秒激光技术的不断发展和应用，图像的时间分辨率还将进一步提高。光谱成像技术不是在几个分立的波段、被动地接受试样信息形成几幅对应不同波段的分立图像，而是主动地连续改变工作波长(实施光谱扫描)、获取试样在不同工作波长下的连续图像，从而可从图像上各点的光学参量值及其变化获得试样上相应各点处的物理、化学特征分布图像;图像记录的试样各点对不同波长的光学参量值的变化(例如在不同波长光照射下荧光发射量的变化)可构成图像各点的光学量值——波长曲线(光谱曲线)，从每点的光谱曲线的峰谷位置及其高度变化，可直接获取定性(有什么)和定量(有多少)分析信息。

因此，光谱成像的基本原理就是运用光谱扫描手段获取试样在不同波长照射下的不同光学行为信息，形成由试样上相应点不同光学参量值构成的信息分布图像，并据此图像获得试样的定位、定性和定量分析信息。也就是说，光谱成像技术可以采集试样上任意点在一定光谱范围内形成的反映其物理、化学特性的光学信息，因此，试样所有像点的光谱信息就可以形成试样特有的物理图像(如微观结构图像)或“化学图像”(如特定组分的分布图像)。