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封面解读：
本封面体现了多光谱成像的基本原理：宽谱光源照射样本，通过分光原件（灯笼）后，离散的光谱信号分别被不同的探测器（屏风）所接收，实现多层次、多类别的信息获取。
因为目前仍处于疫情攻坚阶段，“国泰民安”是对祖国和人民最好的祝福。而春节临近，图片里的春联、福字、灯笼、屏风等元素体现了欢庆的节日气息和浓厚的中国风。
封面文章|陈键伟,龚辉,袁菁. 多光谱成像技术及其在生物医学中的应用[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(4): 0400001
01 背景
光谱成像是通过光谱分离元件将入射的全波段/宽波段光信号分成若干波段，同时获取探测目标的光谱特征和空间图像信息。
根据光谱分辨率，可把光谱成像技术分为多光谱成像（MSI）、高光谱成像（HSI）和超广谱成像（USI），其光谱分辨率分别约为10-1λ、10-2λ、10-3λ，成像波段数/通道数分别约为3~10、100~200、1000~10000，本文主要介绍MSI技术。
在生物医学的科学研究及临床应用中，往往希望采用对生物样本损伤少的成像方式获取足够多的目标生物信息。由于MSI技术采用非侵入式的成像方式，而且能够从细分的光谱图像中获取有效的信息，因此其在生物医学领域有广泛的应用。本文选择其中病理分析、手术引导、生物识别三个具有代表性的应用，介绍其最新进展。
02 多光谱成像技术
MSI系统一般由照明单元、分光单元及探测单元三部分组成。
分光单元是核心，传统或采用分段式元件如轮转滤光片（FW），或采用可调谐元件如液晶可调谐滤光片（LCTF），如图1（a）和（b）所示，其中FW相较于LCTF具有成本低的优点，但随着光谱频道增加，FW的体积会急剧增大。此外，这两种方法都采用串行成像的工作模式，即每次成像只检测一个波段信息，随着检测波段数量增加，采集时间也会相应增长。
为了突破串行成像模式的限制，研究者提出了利用复合阵列光学元件实现多通道并行成像，如图1（c）所示，可将微透镜阵列、滤光片阵列与光电探测器阵列一一对应，集成在同一平面基底上，同时获取多个波段光谱信息。然而，平场系统的成像视角还是非常有限，受自然界昆虫复眼的启发，可将微透镜阵列均匀排布在曲面基底形成曲面复眼系统，并集成多通道滤光片，如图1（d）所示，实现大视角多光谱探测。
图1 基于不同光谱分离元件的MSI系统：（a）轮转滤光片，（b）液晶可调谐滤光片，（c）平场复眼系统，（d）曲面复眼系统。
目前便携式是MSI系统的一个发展趋势，常用于移动医疗检测，一般多与智能手机结合使用，如图2所示，在照明单元端引入分光元件，或采用多色LED阵列照明系统依次照明。此外，为缩减系统体积，也可以省略分光单元，利用频谱解调分析方法，直接从手机采集图像中分解不同波段信息，如通过Wiener滤波算法，将手机内置RGB相机采集图像转换成可见频谱（470-620nm）的多波段信息。
图2 基于智能手机的便携式MSI系统
显微成像是MSI系统的另一个发展方向，一般与荧光显微镜相结合，对多色荧光标记样本进行探测，如图3（a）所示，针对特定标记的生物结构，选择合适的激发光源，并根据发射光谱，合理设计探测光路的分光模块，实现多光谱并行探测。
为进行体内组织检测，MSI也应用到内窥显微镜中，如图3（b）所示，在照明单元通过光纤将不同波谱激光束进行耦合，在探测单元通过分光元件如轮转滤光片进行单光谱探测。为实现体内深层组织实时成像，还可以把多光谱技术与光声成像融合，构建多光谱光声层析成像系统（MSOT），如图3（c）所示，使用多个波长脉冲激光照射生物组织，同时刺激组织内多种发色团吸收电磁能而瞬态局部加热，并触发热弹性膨胀并产生压力波，通过超声传感器探测压力波并使用断层扫描反演算法将检测信号转换为含空间信息的组织多光谱图像。
图3 结合多光谱的显微成像系统：(a) 多波段荧光显微镜; (b) 基于光纤多光谱显微内窥镜; (c) 多光谱光声成像系统
03 生物医学应用
病理分析
病理分析是现代医学的重要手段，然而，传统病理研究需要先把组织制成薄片，并通过外部介入方式如HE染色增强对比度，并不适用体内检测，而且只提供少量化学信息。此外，显微成像的探测范围一般为可见光波段，限制了某些微观结构的观测。
而MSI技术不仅可以获取传统RGB三通道数据，还能进一步细分，获取更多窄带波谱信息，甚至可用于获取超越可见光波段信息（如紫外或红外波段），捕获肉眼无法分辨的隐藏信息，如图4（a）所示，固定的皮肤组织切片采用宽场透射式照明，并对多光谱图像分析可以区分健康与病变组织。
另外，利用MSOT成像深度高的特点，还可以在体探测皮肤组织的动态过程，如图4（b）所示，将多光谱纳秒激光脉冲耦合到光纤束中并激发皮肤组织，通过超声换能器采集空间深度信息，通过光电二极管收集每个激光脉冲的反射，解调多光谱数据集，可以获取表皮中黑色素含量和血液氧合值。
图4 MSI技术用于皮肤组织检测。（a）采用近红外波段对皮肤切片进行多光谱成像，并区分正常组织与病变组织；（b）多光谱光声成像在体检测皮肤的黑色素和血液中氧合水平
手术引导
由于MSI技术能够识别不同生物组织信息，因此在手术过程中以多光谱图像引导协助医生定位病灶具有较大的应用价值。借助特异性荧光示踪剂，多光谱成像有可能解决病变组织边界模糊而难以识别并导致切除不彻底等问题，以提高手术精度。如图5所示，利用一套融合可见光波段及近红外波段多光谱探测成像仪器，用于荧光引导协助原发性和转移性肝肿瘤的手术切除，其中可见光波谱用于采集组织解剖信息，近红外波段用于识别标记肿瘤荧光信息，与传统单一图像的手术引导相比，可以实现更高的肿瘤检测灵敏度以及更好的肿瘤边界识别。
图5 多光谱成像技术用于术中引导
生物识别
生物识别是通过获取人们的生物特征来区分不同个体的技术。随着智能生活、信息安全等发展趋势，生物识别技术已广泛应用于电子支付、门禁检入、社会治安等领域，成为日常生活的重要组成。
由于MSI技术能够采用非接触的方式，快速、准确地获取并识别不同生理特征，因此是生物识别技术的一种有效方法。对用于生物识别的MSI系统，如何针对不同的生物特征，选择合适的成像波谱和波段数，是提高识别准确性及效率的关键。如虹膜是围绕瞳孔的彩色环，具有很高的排他性和防伪性，因此被广泛用于安全领域。
传统常使用近红外波段（700~900nm）进行虹膜识别，准确率约为80%。若引入可见光频谱（400~700nm），如图6所示，通过多光谱成像，利用红外波段识别结膜血管和虹膜纹理，利用可见光波段识别虹膜的光谱反射率及颜色，可提高识别准确率到99%。类似的，通过MSI技术可有效提高生理特征如脸像、指纹、掌纹等信息的识别准确率。
图6 虹膜血管、纹理、反射率等多光谱生物特征获取及识别
04 总结
在技术发展趋势上，一方面，传统多光谱成像技术与新型光电材料结合，优化系统的光谱探测范围、光谱分辨率、系统体积等性能指标，提高系统的普适性；另一方面，结合应用场景，多光谱成像分别往便携式系统和显微成像系统发展。
在应用发展趋势上，除本文综述的病理分析、手术引导和生物识别等三个方向，多光谱成像还在脑科学研究、活体成像等不同领域发挥重要作用。作者认为基础研究和临床应用是多光谱成像应用的两个重要发展方向。
参考文献
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课题组介绍
生物医学光子学教育部重点实验室于2000年8月由国家教育部批准成立，依托单位为华中科技大学。研究方向包括脑连接图谱与神经信息学、脑网络精准光学成像、活体神经光学成像、活体免疫光学分子成像、纳米生物光子学等。
实验室先后承担和完成了国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）、国家重大科学研究计划、国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家重大科学仪器、国家高技术研究发展计划（863）、国家自然科学基金及省部级项目200余项，其中包括千万级国家项目9项。2011年获“生物医学光子学”国家自然科学基金创新群体，获两轮滚动支持。
经多年发展，实验室在生物医学光学成像理论、方法、仪器及应用等方面取得了可喜的成果，以独立单位先后获得国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖各一项，获得教育部、及湖北省一等奖四项、二等奖一项。特别是近年来，实验室不断凝炼方向，在Science、Nature Methods、Nature Neuroscience等国际顶级期刊上发表论文10篇。
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