医疗行业的多光谱成像:机器视觉和光谱范围的融合

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图像在医学领域的应用正在日新月异。过去几十年来,先进的成像设备和高科技的图像分析逐渐紧密结合,在临床研究上,使人体的每个角落的可视化成为可能。长时间以来,该系统经历了从普通的显微镜观察向通过最新技术进行图像分析的进化。在我们对各种用途的临床成像方法的最新趋势研究的过程中,了解到了采用多光谱成像(MSI)解决当今医学领域问题的巨大效果。在此文中,我们将介绍使用MSI解决不同应用的各种特殊和复杂问题的示例,介绍通过调整图像光谱带,来应对不同应用的解决方案。

光谱成像应用于生命科学领域的基本思路

用于显微镜和内窥镜检查的成像技术日趋成熟。例如,最新的RGB图像内窥镜的尖端装有一个传感器,该传感器使它们可以通过直径很小的孔深入人体内部并捕获高分辨率图像。从口中吞下一个药片大小的胶囊相机,在消化系统内部移动并捕获人体内部器官的图像,并通过外部记录设备无线接收图像的系统也早已经投入实际应用。在这些设备中,通过把传感器和频谱滤波器进行结合,出现了一种能够进行更详细检查人体组织的系统。 RGB内窥镜产生的图像仅限于可见光谱,因为可见光无法穿过皮肤表面,尽管它可以捕获人体内部的图像信息,但仅限于每个器官的表面,也就是最外层。而另一方面,对多光谱相机的应用,可以同时捕获多个光谱带中的图像,包括可见光范围以外的部分。在检查人体细胞组织和器官时,近红外(NIR)波长下所捕获图像不仅可以捕获器官表面,还可以捕获其内部深层细胞的状态。该技术已进入实用阶段,这使得医生现在甚至可以定位肉眼无法看到的“特定部分”中的“唯一状态”。

显示病患位置基本情况(例如细胞组成和特定条件)的图像对于医生诊断患者是非常有用的信息。通常,当试图给患者(或患病区域)的疾病定性时,必须先进行活检,这是非常有侵入性的操作,耗时的并且使患者遭受痛苦,而且最大的缺点是,甚至会损坏患处以外的组织。但是,成像技术与多光谱的结合使用,可以实时地显示体内组织的特性,更不会损伤周边组织。随着入射光在人体组织中传播,它会被散射和吸收。 两者都是依托于人体组织产生光效应的过程,这种吸收的光被称为光致发光的过程中,可以转化为热量或辐射。 荧光是光致发光的一种形式,在此过程中特别重要。 根据分子结构,组织可以具有不同的物理足迹,可以根据其荧光光谱对其进行表征。 例如,健康组织发出的荧光会非常不同于疤痕或受损组织。

由肿瘤引起的恶性或良性病变会导致组织发生病理变化,并改变其散射,吸收和荧光特性。 肿瘤细胞代谢活性的增加可增加血红蛋白浓度。血红蛋白是一种生色团,可增加与光之间的相互作用。 此外,代谢途径和分子结构的改变将改变组织的荧光性质。

血液病理学上的应用


多光谱成像还可用于血液病理学之中。 病理学家需要血样的相关定量信息和分子信息来进行诊断。 诸如当前明场显色成像的技术仅限于可见光谱。 多光谱成像不仅可以使用可见波长,而且还可以使用其他波长的特点,为血液样本检查提供了一种强大又方便的方法。

用作手术视觉辅助系统的示例


手术指导是医疗技术中使用多光谱相机的另一个冉冉上升的应用。切除肿瘤通常是很复杂的手术。外科医生需要能够观察并识别肿瘤细胞,之后更需要准确测量周围与健康组织的边缘。切除过多的组织会伤害患者,切除组织不足,会使肿瘤重新扩散。所以,即使专家也会认为,这种判断是困难而且非常冒险的。是切除本身。即使成功,大手术对患者的伤害也是不可避免的。机器视觉视觉辅助工具在这方面也有帮助。

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尤其是在外科手术中,多光谱成像可提供较高的附加值。通过对彩色图像和NIR图像的结合,可以清楚地区分肿瘤和周围组织的位置。在实际手术的视觉引导系统中,通过将ICG注射到血管,组织和淋巴管中,ICG的“附着于特定蛋白质上”的特征会在近红外光区域呈现出图像,从而验证了肿瘤的存在。肿瘤的光谱图像可以重叠在可见光图像上,再加以实时视频的再现,就在最大程度上帮助外科医生定位并切除肿瘤。此外,通过对RGB图像显示红色分量的增强,也可以轻松直观地识别在手术期间不能受损的血管位置(动脉和静脉),并同时完成手术过程中的血流监测。

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JAI3-CMOS多光谱棱镜相机可在一台相机中同时提供三个不同光谱带的图像,400-700nm的可见彩色通道,700-800nm的近红外(NIR)通道和820nm-1000nm的第二条近红外(NIR)通道。这使得我们可以在检测可见光波段的同时,使用它们在单个NIR波段内或在两个NIR波段组合时的光谱特性来分析材料或缺陷。

在数字病理学及疾病检测中的应用

多光谱成像在数字病理学,诊断和疾病检测,患者监测,手术导航和其他医疗保健应用中具有巨大潜力。 但是,在日常患者护理和诊断中使用的摄像系统存在技术限制。 医学研究中使用的光谱成像设备通常非常复杂(即高光谱),使用难度高,商业应用困难大,特别是在发展中国家和疾病多发的不发达国家,需要的是更简单,更实惠的医疗系统设备。需要这些设备有效并且同样可以解决医疗中对成像方面的要求。


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近年来,随着“数字病理学”一词的出现,数字化图像的应用在病理学领域业已变得更加广泛。 在病理学中,经验丰富的病理学家在会显微镜下观察人体组织的完整切片和细胞样本。随着数字化的发展,还需要进行玻片扫描和存档和再载入。而且与自动分析软件结合使用,更是大大提高了对彩色图像和多光谱图像自动进行处理的效率。

 

JAI的棱镜多相机在生命科学用中得越来越流行


JAI的多光谱棱镜相机基本棱镜分光技术,提供高分辨率和高帧频,并通过单个光轴入射光,同时捕获可见光谱和近红外光谱段的图像。从而最大程度满足了嵌入医疗系统的成像设备所必须的抗冲击,抗振动的要求。并且JAI的摄像机都经过了严格的性能评估测试,在满足这些要求的同时,还具有极好的耐用性。对现有的内窥镜系统或显微镜系统的摄像机部件可以做到替代升级,同时也是开发新的视觉系统时的良好选择。另外,JAI的生产能力,也支持大规模的OEM供应。


JAI多光谱相机技术的更多相关信息,请参阅:

下载免费技术指南:“多光谱成像”
可下载用于医疗和工业机器视觉系统的多光谱成像的免费技术指南英语)。

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观看网络直播视频:用于多光谱应用的棱镜分光相机


有多种实现多光谱相机的方法,方法选择是项目成功的重要因素。 如果您要设计含有多光谱成像的视觉系统,请观看线上研讨会的精神视频,以了解多光谱棱镜分光相机较其他技术的优势所在,以加深您的理解英语

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