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高光谱显微成像技术在病理学检测中的应用

发布时间:2023-05-17
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近年来高光谱显微成像在病理学检测中得到了广泛的应用。由于组织细胞的病理变化常常随着内部成分的变化而变化,当入射光作用于病变组织并产生效应时,所探测到的光谱就会与正常组织细胞的光谱有所不同。

近年来高光谱显微成像在病理学检测中得到了广泛的应用。由于组织细胞的病理变化常常随着内部成分的变化而变化,当入射光作用于病变组织并产生效应时,所探测到的光谱就会与正常组织细胞的光谱有所不同。因此可以实现无损、快速检测病灶的目标。

1. 癌细胞识别与探测

高光谱显微成像技术可以帮助快速识别生物组织中癌细胞同时查看癌细胞在体内的分布情况,其依据原理是对组织切片中的正常细胞和癌细胞进行光谱采集,得到光谱和空间数据,并依此建立数学模型,对细胞种类进行鉴别,进而实现对癌细胞分布的可视化并且精准快速检测癌细胞。利用高光谱成像技术对前列腺癌进行检测,提取癌组织和正常组织的光谱特征,如图1所示,使用最小二乘支持向量机对其进行分类,使高光谱图像分类方法的灵敏性和特异性分别为92.8% ± 2.0%和96.9% ± 1.3%。利用高光谱成像技术获得的光谱信息对头颈部肿瘤进行肿瘤边缘分类,在鳞状细胞癌与正常口腔组织中,其准确性、灵敏性和特异性分别为81%、84%和77%;在甲状腺癌中,其准确性、灵敏性和特异性分别为90%、91%和88%。

2. 皮肤疾病的检测与诊断

2006年,研究人员用高光谱显微成像系统对用常规苏木伊红染色的良性和恶性皮肤组织标本进行成像,发现正常皮肤、良性病变和恶性黑色素瘤病变的光谱特征不同,同时采用波形交叉相关分析方法对不同光谱进行分类,正确率超过85% 。研究人员使用高光谱成像系统研究糖尿病患者以及正常人体前臂和脚的血红蛋白饱和度,发现糖尿病人皮肤的血红蛋白饱和度与正常人相比,略有减少。 将高光谱成像用于预测糖尿病足溃疡愈合的临床研究中,HT指数预测愈合的灵感度、特异性、阳性和阴性预测值分别为93%、86%、93%和86%。在此基础上,使用光谱范围为450~700 nm的高光谱成像系统来评估糖尿病足溃疡发展的风险和预测其愈合可能性。结合人体皮肤的整个可见光谱图像对皮肤表皮厚度、黑色素体积分数、血液体积分数、血氧饱和度、胆红素体积分数等五个参数进行了定量测量,并灰度标定这些参数,观察皮肤的各种区域。



图1

图1 典型小鼠中癌症组织(虚线)和正常组织(实线)的光谱特征平均值



图2

图2 来自三种不同组织的(左)病变区域和(右)正常区域的光谱特征的比较

3. 体内组织和器官疾病诊断

高光谱显微成像广泛地用于胃、肾以及动脉等体内组织和器官的疾病诊断。研究团队采集了手术切除胃组织的高光谱图像,比较正常组织与癌变组织的光谱,发现了癌变组织与正常组织的光谱特征的不同,找到癌变组织的特征光谱,并将此波段数据输入LS-SVM进行训练,最终分类灵敏度与特异性达到了93%和91%。对高光谱图像中胃组织切片的光谱信息进行分析以找到正常细胞和癌细胞光谱特征的不同,进行鉴别。应用高光谱成像系统对胃组织进行检测,发现在600~800 nm范围内肿瘤粘膜的平均光谱吸收率高于正常粘膜组织,利用肿瘤目标识别算法对光谱信号进行评价和分类,分别获得了78.8%、92.5%、85.6%的灵敏度、特异性和检测准确率。等对胃组织进行高光谱成像并获取组织的光谱信息用于区分肿瘤与正常粘膜。

高光谱显微成像技术及其在病理学检测中的应用,此外还介绍了一种新型的可编程高光谱显微成像技术及其所实现的光学染色功能。目前,受制于化学染色的局限性,难以实现高效的病理学检查,利用高光谱显微成像技术,可对病理组织切片进行无损和快速成像,同时获得光谱信息,在对高光谱显微图像进一步数据处理后,可获取关于病理组织切片的生理、生化信息,进而实现快速、准确的病理诊断。

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