人類相對于動物，有著許多天然的優(yōu)勢，發(fā)達的大腦，直立行走的能力，但有一樣卻很Normal—眼睛。即便我們擁有全彩視力，最多也只能捕捉到300~780nm波長譜段內(nèi)的可見光，但其實對于我們普通的日常生活，即使在這可見光的譜段內(nèi)觀察事物，也算是足夠了，但當我們需要打開微觀世界的大門時，那這明顯并不是一塊好的敲門磚。

說到要觀察微觀世界的事物，與我們生活息息相關(guān)的首件事兒就是觀察病理，科學家們不能僅依靠他們的眼睛以及高倍顯微鏡來達到觀察病理的效果。因為天然形式的組織樣本是淡淡無色的，看起來像是連續(xù)的斑點、紋理或者根本就是無結(jié)構(gòu)的。在組織學中，對于樣本觀察一般采用的做法是—給組織樣本進行染色以增強對比度，以此創(chuàng)造出質(zhì)地與顏色的多樣性，突出細胞的形狀和結(jié)構(gòu)，甚至突出細胞的組成部分，如細胞核和細胞質(zhì)。染色樣品可以使它們變得明晰，令科學家們能夠更好的觀察它們。

▲該圖為在使用了染色劑（蘇木精和曙紅）后在高倍顯微鏡下觀察到的神經(jīng)組織系統(tǒng)，這使得我們可以明顯看到組織中各部分的結(jié)構(gòu)特征。

但是通過這種傳統(tǒng)的對需要觀察的組織進行染色的方式，始終屬于外部強行介入的方式，而且其觀察的結(jié)果也會存在些許的矛盾，這通常歸因于進行染色的各個組織學家之間的不同，或是不同染色劑對于特定組織的影響。

觀念可以是不同的，但是科學不可以。尤其是在對病理的推斷上，些許細微的矛盾與差異就會造成對整個病理理解的偏差，其后果是完全不可想象的。因此，找到一種新的病理觀察方式，迫在眉睫。

科學家開發(fā)了一種對醫(yī)學樣本進行虛擬染色的系統(tǒng)，從而可以將未染色的樣本視為已染色。那就是通過使用高光譜成像技術(shù)（HSI），這樣既避免了染色這樣既昂貴又可能會損害樣本的風險，又可以提供高精確高質(zhì)量的研究成果。

高光譜是由光譜學與成像技術(shù)交叉融合所形成的技術(shù)，是一種圖譜合一的成像方式。高光譜相機主要由光譜儀和成像系統(tǒng)兩大主要部分組成。通過處理分析軟件，在獲得影像中每一個像素點的光譜信息的同時，可以獲得每一個波譜下的影像信息，即獲得一個三維的信息數(shù)據(jù)。光譜分辨率精度可以達到幾個納米到幾十個納米，這相對于普通的RGB成像更能在不破壞樣本的情況下，精準的掌握樣本更多的信息。

▲此圖為高光譜成像與普通RGB成像之間的比較。左側(cè)高光譜成像采集了每個波長的圖像，而右側(cè)RGB成像則只采集到紅、綠、藍波長上的三個圖像。因此，高光譜成像技術(shù)更為立體采集到的圖像更能反映出樣本的真實。

▲以上三圖為樣本采集的對比圖，圖a為使用了單色染色劑后采集的圖像，我們可以看到膠原纖維和平滑肌之間的顏色差異幾乎不明顯。圖c為使用Masson三色染色劑后采集的圖像，雖然組織之間的差異是明顯的，但組織與組織之間的邊界并不清晰。圖b為使用高光譜相機采集后的圖像，我們可以明顯看到中間圖b顏色更加鮮艷和多樣化，從而使膠原纖維和平滑肌組織之間的區(qū)別更加清晰。

隨著高光譜成像技術(shù)的成熟與發(fā)展，醫(yī)學界已將該技術(shù)引入到對視網(wǎng)膜疾病的觀察應用當中。由于眼睛的細膩特性通常排除了侵入性的活檢或?qū)σ暰W(wǎng)膜的機械通路。因此，當前的視網(wǎng)膜疾病診斷強烈依賴于光學成像方法。高光譜成像系統(tǒng)通常與眼底照相機集成在一起，以實現(xiàn)眼睛的光學成像。

年齡相關(guān)性黃斑變性（AMD）是導致失明的主要原因中老年人，而白細胞色素C的變化已被確認為該病理變化的關(guān)鍵信號，在高光譜成像技術(shù)得到應用后，醫(yī)生們可以通過收集的光譜數(shù)據(jù)，對有關(guān)氧化應激期間細胞色素c的氧化狀態(tài)進行分析，用來進行對病理的判斷與治療。

▲該圖為空間氧飽和度對比圖，圖a為29歲健康男性在使用高光譜成像技術(shù)后的氧飽和度圖，我們可以清晰的看到血管分離以及靜脈與動脈的合理飽和度值。而圖b則為普通成像的效果圖，該圖并不能提供相關(guān)的信息作為參考。圖c為58歲健康男性在使用高光譜成像技術(shù)后的氧飽和度圖。圖d則為普通成像的效果圖，該圖同樣并不能提供相關(guān)的信息作為參考。

高光譜成像技術(shù)不僅可以應用在病理的觀察方面，同樣可以對手術(shù)的進行有效的指導。腸缺血是指腸血流量減少，這會損害氧氣的輸送并導致脫氧的血液和廢物積聚。這些情況導致細胞死亡和壞死，導致炎癥和潰瘍。由于解剖結(jié)構(gòu)的變化和手術(shù)的不可預測性，可見性對于正確診斷手術(shù)中的這些問題至關(guān)重要。而通過高光譜成像系統(tǒng)可以有效區(qū)分不同組織和器官之間的差異，因此允許外科醫(yī)生以較小的侵入性可視化并檢查大面積區(qū)域，而無需實際去除組織。

在高光譜成像系統(tǒng)的幫助下，醫(yī)生們確定了765至830 nm的關(guān)鍵波長范圍，這在正常腸和缺血性腸之間提供了區(qū)分。根據(jù)脾臟，結(jié)腸，小腸，膀胱和腹膜的獨特光譜特征進行分割。事實證明，高光譜成像技術(shù)完全可以幫助外科醫(yī)生可視化血管的解剖結(jié)構(gòu)，并在腹部手術(shù)中區(qū)分動脈和靜脈。

▲左側(cè)為普通的RGB圖像。而通過高光譜成像技術(shù)的幫助，我們可以在右側(cè)查看分割的圖像。脾臟顯示為紅色，腹膜為粉紅色，膀胱顯示為藍色，結(jié)腸顯示為綠色，小腸顯示為黃色。

現(xiàn)如今，高光譜成像技術(shù)已應用于各個領域：、考古學、植被與水資源控制、食品質(zhì)量與安全監(jiān)控、犯罪現(xiàn)場勘查、生命科學等等。相信在不久的將來，高光譜成像技術(shù)將會被更為廣泛的應用，造福更多的領域。