高光譜成像是一種將常規(guī)成像和光譜學(xué)相結(jié)合，獲取物體空間和光譜信息的技術(shù)。高光譜成像能夠獲取物體的空間信息和光譜信息，其成像結(jié)果可視為多個2D圖像堆疊成的3D立方體。本文將探究高光譜成像的技術(shù)實現(xiàn)方式與結(jié)果的3D可視化。

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高光譜成像

技術(shù)實現(xiàn)方式

傳統(tǒng)的成像方式只能獲得二維的平面數(shù)據(jù)，而高光譜成像獲得是三維數(shù)據(jù)，其成像方式也相應(yīng)發(fā)生了改變，在發(fā)展過程中主要出現(xiàn)了四種方法：揮掃式（Whiskbroom）、推掃式（Pushbroom）、凝采式（Staring）以及快照式（Snapshot）。

圖1、四種主要的高光譜成像方式 (a) 揮掃式 (b) 推掃式 (c) 凝采式(d) 快照式

這四種光譜成像方法在應(yīng)用于生物組織分析時各有優(yōu)缺點。沒有“絕對"的最佳模式，不同場景適用的方式不同。但為了選擇給定生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的模式，必須考慮不同生物組織的特性和檢測目標(biāo)。一般來說，揮掃式和推掃式成像儀通常與顯微鏡配合使用，用于熒光和組織病理學(xué)分析。

圖2、四種高光譜成像方式對比。來源：Review of spectral imaging technology in biomedical engineering

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高光譜成像結(jié)果

3D可視化

對目標(biāo)物體進(jìn)行高光譜成像，其成像結(jié)果為多張2D灰度圖，將其按照光譜波長順序堆疊在一起便可視為一個由2D圖像構(gòu)成的3D立方體（下文簡稱光立方），這些2D灰度圖無法合成為一張圖像，不便于分析和顯示。

圖3、RGB相機(jī)成像（左）高光譜成像（右）對比圖

為了能夠高效的對高光譜的成像結(jié)果進(jìn)行分析，可視化高光譜成像的結(jié)果顯得尤為重要。如下圖，在光立方的XY軸平面上，數(shù)據(jù)是由X*Y個像素點構(gòu)成的2D單通道灰度圖像，光立方的Z軸代表光波長，光立方是由不同光波長成像出的2D單通道灰度圖像構(gòu)成的。光立方的可視化，即是對光立方中的大量2D灰度圖像的可視化。

圖4

光立方的可視化最直觀的方式便是在3D空間中渲染出一個3D立方體，這個3D立方體中包含了光立方中的所有圖像，觀察分析員可在任意角度上觀察這個3D立方體，這有利于觀察分析員對光立方的整體進(jìn)行查看和分析。

圖5、高光譜成像的3D可視化示例

以上就是今天我們分享的部分知識。目前，高光譜成像的技術(shù)越來越完善，高光譜成像的實際應(yīng)用也正在迅速發(fā)展。憑借靈敏度高且操作簡單的優(yōu)勢，高光譜成像正在成為越來越多醫(yī)學(xué)研究關(guān)注的重點，為疾病的發(fā)病機(jī)理、組織病變、疾病診斷與治療、藥物效果評價等研究方向提供了新的思路和方法。

關(guān)于高光譜成像，還有更多知識正在研究中，之后我們會繼續(xù)就相關(guān)專業(yè)知識進(jìn)行分享，感謝各位老師的持續(xù)關(guān)注，歡迎各位老師交流指導(dǎo)！