光谱成像的原理、技术和生物医学应用

　　1 前言

　　光谱分析技术具有快速、灵敏、准确等一系列优点，加上试样制备简单，对试样损伤小，不产生化学和生物污染等现代科技(尤其是生物、医学)领域特别要求的特性，因此早已成为最广泛应用的分析技术，但是，近年来的科技发展已不再满足于“有什么”、“有多少”的传统定性和定量分析结果，提出了“在哪处、有什么、有多少”的综合分析新要求，而经典光谱分析一般只能给出试样的总体或平均分析信息，不能给出“定位”信息，只有将光谱分析和图像分析有机地结合起来才能达到上述要求，光谱成像技术因此应运而生，特别是1999年Pittsburg会议将光谱成像技术(Spectral Imaging)作为一项重要技术方法加以介绍，受到了与会学者的广泛关注。

　　生物学和医学发展经历了依靠外观辨认的解剖生物学阶段(组织学阶段)和深入细胞层次的显微细胞生物医学阶段，目前正在向分子生物医学更高层次阶段发展，不但要求从分子层次探求生命和疾病的生理、病理源由和影响情况，更要求认识细胞内外化学和生化组分及其交流变化信息;细胞内外组分的定性、定量和定位信息及其变化情况，直接影响细胞的生存、发展微环境状态，会直接影响其生理和病理状态，因而直接决定生命过程及生物组织的形成、发育和老化以及疾病的形成、发展、药物的作用和后果等等一系列

　　当代生物医学领域最重要的问题。例如，已经证明脑神经细胞内外Ca2+的浓度、分布及流动变化情况，是直接反映癫痫、老年痴呆等严重疾病的生物学和病理、药理学特性的重要判据。获取脑神经细胞内外Ca2+的分布及其变化图像(“化学成像”)，必将对脑神经细胞生理、病理研究和药物作用研究提供更丰富的信息。光谱成像的目标和特征正是将光谱分析技术的定性和定量分析特性与图像分析的定位特性结合起来，构成综合分析系统，从而提供更丰富、全面的分析信息。

　　2 光谱成像的原理

　　光谱分析是已经高度发展的成熟技术，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，并已成为生物医学高新研究和应用领域的有力手段。

　　近十余年来，光学成像器件和应用技术方面也有了快速发展，相应的图像获取硬件和图像分析软件技术也用了长足进展，这是提出和实现“化学成像”概念的物质和技术基础，尤其是CCD阵列器件的商业化应用直接推动了光谱成像技术的实现和推广应用。

　　利用面阵CCD器件和种种光学成像手段(例如望远、照相或显微系统)可以获得试样的光学图像，两维光学图像上的任意一点与试样上的相应点一一对应;图像点的光学参量(例如光强度、灰度值)则直接反映试样上相应点的光学参量(例如该点发射的发光强度值或反射、散射的光强度值)，因而据此光学图像可推算得到试样上各点处的物理、化学特征(例如各点处的反射率、散射率、某种组分的含量等等)。早在20世纪70年代美、俄等国基于地物光谱研究成果和早期面阵探测器件研发的天空实验室(SkyLaberatory)、近年我国研发的“资源卫星”1号和2号，都是在几个确定的光学波段(紫外、可见、近红外和红外)获取地球表面光学图像进而完成地面和地下资源、农作物生长态势(判断收成)等等研究和实用任务。与此不同的当今光谱成像技术不是在几个分立的波段和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。