光谱成像技术在生物医学中的应用

虽然光谱成像技术起源于遥感领域，但是由于医学成像光谱技术的分析对象具有自身的特点，必然对医学成像光谱仪的仪器性能提出了新的要求。如为了对单个生物组织细胞进行光谱成像，需要成像光谱仪具有微米级甚至更高的空间分辨率，所需光学能量及信噪比估计与用于航空遥感的成像光谱仪的信噪比估算方法有所不同。因此，在研制出不同的医学成像光谱仪后，还需要根据具体检测目标的不同对仪器性能进行分析。

8.4.4.1　在基础研究中的应用

生物体内蛋白种类繁多，且相互间作用关系复杂，多光谱成像技术(MSI)为我们提供了一种高效直观的研究方法，该技术可以对生物组织内的发色团的空间分布进行成像，也可以同时进行多种蛋白的体外成像研究，利用多种不同量子点标记不同的蛋白用于蛋白印迹，具有更高的亮度和更好的稳定性。最近利用MSI结合量子点免疫荧光技术检测了肺癌组织中EMMPRIN和p53蛋白的共表达，乳腺癌组织内Her－2和CK蛋白的共表达，结果表明:不论蛋白定位是否相同，解混后均能得到每个蛋白的表达信号，还可去除组织的自发荧光，提高了图像的信噪比。利用传统荧光标记，在同一激发波长下，可以同时检测福尔马林固定石蜡包埋组织中3种不同的蛋白，不管是否有共定位，表明这种成像方法有利于在组织和细胞中完成多重分析。除了单纯的蛋白成像，MSI技术还能用于研究蛋白分子的折叠和结合过程，进一步拓宽了其应用范围。

8.4.4.2　在中药鉴定中的应用

光谱成像技术应用于中药质量控制、辨别真伪，有非接触、无损和快速全面等优势。非接触是光检测特有的优势，避免了由于接触对中药样品产生的污染。光谱成像技术应用于中药样品检测时无需分离提取样品成分即可进行光谱测试，所含组分不会因各种前期处理而发生改变，得到的是最为真实的原始信息，由于具有无损性，测试完成后中药样品还可以照常使用。光谱成像技术检测还具有测试时间短、环境要求低等优点，可以比较全面地反映所含化学成分，能够更加有效地体现出中药成分的整体性和综合作用，可以对中药材进行品种鉴定、真伪辨别和有效成分的比较。

8.4.4.3　在疾病诊断中的应用

(1)在皮肤研究中的应用。与临床上用于疾病诊断的多种成像技术相比，MSI可以提高灵敏度和精确度，且能够同时进行多色标记。MSI技术对浅层组织特别是皮肤的成像效果很理想，并可以通过对人皮肤不同层次的断面扫描，重建三维立体模型，且不受皮肤色素的影响。2010年，MSI技术开始在500～700 nm光谱区间和500～600 nm及530～620 nm两个子区间内同时测定了皮肤的3个发色团(chromophores):氧合血红蛋白、去氧血红蛋白和黑色素，由于这3个发色团的吸收光谱不同，故该技术可以明显区分这三者。皮肤黑色素瘤的早期检测对患者的生存至关重要，新形成的肿瘤的特点之一就是病变部位的血流量增加。实验证明500～700 nm范围内的MSI成像具有高灵敏度和更好的反应稳定性，并得到了临床试验的证实。基于该原理，MSI也可以测定皮肤病变血管中氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量，以评估皮肤血管的血氧饱和度并估计血流量，从而有助于黑色素瘤的早期诊断。

(2)在肿瘤研究中的应用。肿瘤现已成为世界范围内的公共卫生问题，且其发病率和死亡率一直呈上升趋势。应用成像技术对肿瘤的发生、“生长”、侵袭和转移等进行研究具有直观便捷等进行优点，但由于肿瘤生物学过程的复杂性，单色成像远远不能满足肿瘤研究的需求。MSI技术出现后，在肿瘤诊断和治疗中的应用更为广泛。

(3)在中医舌诊中的应用。使用一种基于推帚式的高光谱成像系统，采集了部分高光谱舌图像，采用图谱结合的算法进行了舌体分割，同时进行了舌图像假彩色合成。结果表明相对于采用数码相机采集的舌图像，高光谱舌图像采集系统提供了更加丰富的舌图像信息，为舌体区域分割、舌质与舌苔特征提取、舌裂纹提取等舌图像分析提供了一种新的方法，是中医舌诊的一种新途径。