高光谱成像技术能够点亮各色生物标记，针对不同组织生成不同的光谱输出，用于临床判断或仪器开发。基于高光谱新型神经导航技术的光谱方案，将宽带光源和友思特全自动波长选择器FWS结合起来，为生物肿瘤研究和临床应用探索出了全新的发展方向。

高光谱成像用于生物医学

高光谱成像（HSI）是一种用于生物医学应用的新兴光学模式，因其能够将光谱化学分析和二维成像结合在一项技术中，而具有巨大的临床转化潜力。

HSI 包括在电磁波谱（尤其是紫外线、可见光和近红外波段）的多个连续光谱波段上获取宽场图像，可用于检索所研究组织的吸收、散射和荧光特性的完整空间光谱特征。然后，可将这些特征与组织中已知发色团和荧光团（如血红蛋白、细胞色素-c-氧化酶、NADH、FAD 等）的光学指纹相关联，这些特征代表了生物目标的生理、病理和病理（如血液动力学、氧饱和度、新陈代谢等）方面的生物标记。

高光谱成像新型神经导航系统方案

来自意大利佛罗伦萨大学的课题组和意大利国家光学研究所共同合作，基于 HSI 的新型神经导航技术，将目前的神经外科实践转变为定量、精确、实时和功能导向的成像方法。

研究人员开发了名为 HyperProbe1 的实验室成像装置，这是一个用于临床前应用的研究型高性能设备，将用于指导未来医用 HSI 仪器的开发和升级，以便临床应用于手术室，特别是用于胶质瘤切除术中的神经导航。

HyperProbe1 充分利用了 HSI 的能力，可在从近紫外到近红外的宽波长范围内灵活多变地选择光谱波段的数量和类型，同时还能获得高性能的空间和时间分辨率数据集。该系统目前用于研究成像技术的适用性和针对性，对体内外动物模型的脑外科相关生物标志物进行成像和量化，为健康和病理脑组织及其生理学提供广泛而详尽的光学特征和定制信息。

图1 左：HyperProbe1的组件概念图；右：所有配件的实际组装图

图1显示了 HyperProbe1 系统的所有主要组件。该装置主要由宽带等离子体光源（PLS）、友思特波长选择器、摄像机和其他光学器件组成。

PLS是一种由激光诱导等离子驱动的相干照明，在 250-2500nm 上获得更高的光谱辐射率。PLS 与基于 TwinFilm™ 技术的友思特灵活波长选择器（FWS）相结合，可在 385-1015nm 之间任意选择所需光谱带，并可调整其带宽（3-15 nm，FWHM）。FWS 可以在 10ms 内快速切换相邻（5nm为一个步骤）的光谱带，跨越整个工作范围大约需要 100ms。

PLS 和 FWS 组合发出的滤波光通过光纤传输系统照射到样品上，在目标上形成 2-3cm²的照明光斑。每个光谱波段的图像采集均采用高像素（420万像素）、高分辨率（6.5μm 像素尺寸）的 sCMOS 摄像机，其采集帧频可达 40帧/秒。相关光学器件由两个可互换物镜（和共轭管透镜）组成：(1) 1×微距物镜，视场约为 1×1cm²；(2) 15×反射物镜，视场约为 1×1mm²。最后，在物镜和相机组件之间有一个电动滤光片轮，可自动选择多达10个发射滤光片插槽，切换速度 40-70ms 之间。发射滤光片可根据相关荧光团的发射特征进行定制，从而同时获取目标组织的反射和荧光高光谱数据。

系统方案详解及其光谱图像

在系统中，友思特波长选择器的作用是在PLS的宽带光谱中，筛选出特定波段的单色光。部分单色光在光谱作用中会发生特定反应，使用宽带光谱进行一次检验会忽略掉这些特征光得出的特征峰，而使用单色光作为探测光源，会排除其它波段的影响，只突出目标波段的结果，提高检测的精确性，尤其是在弱反应的情况下。在波长选择器的作用下，HyperProbe的光谱输出如图2所示。

图2 左：HyperProbe1.1 系统各光谱带的功率输出；右：HyperProbe1 的光谱输出

左图表示HyperProbe1.1 系统各光谱带的功率输出，其中红色曲线表示带宽为 5nm 时的功率发射，黄色曲线表示带宽为 15nm 时的功率发射。右图则显示了HyperProbe1 的光谱输出，包含从 385-1015nm 的33个均匀采样波长带，以 15- 20nm 为步长，最小带宽为 5nm。

目前，HyperProbe1 已被用于研究和鉴定体外神经胶质瘤样本，这些样本是由佛罗伦萨OUC提供的患者新鲜手术活组织切片。样本包括低级别胶质瘤（LGG）和高级别胶质瘤（HGG）。

在图3中，a) 即为胶质瘤活检样本， 其中 FOV 的位置被突出显示；b) 为用 HyperProbe1 采集的活检样本光谱图像，设置波长为 400nm，并在 FOV 中选择 ROI，根据原始反射率数据 R 计算出平均衰减 A 光谱，即 A=-log10(R)；c) 则为样本相应 ROI 中的平均衰减光谱图。

图 3 a) 胶质瘤活检样本；b）用 HyperProbe1 采集的活检样本光谱图像；c）样本相应 ROI 的平均衰减光谱

初步结果表明，HyperProbe1 可以检索以下方面相关的光学指纹：(1) 可见光范围（500-610nm）内的氧血红蛋白和脱氧血红蛋白；(2) 近红外范围（780-900nm）内的细胞色素-c-氧化酶 (CCO)。这些分别是脑血流动力学和新陈代谢的指标。

此外，初步结果还表明，LGG 和 HGG 的光谱特征存在显著差异，如图4所示。这表明有可能使用 HyperProbe1 来区分脑肿瘤的不同进程状态。

图 4 a) 一般脑组织中 HbO2、HHb、脂质和水的纯吸收光谱以及散射系数；b) 一般脑组织中 HbO2、HHb、oxCCO 和 redCCO 的纯摩尔消光光谱3,4。