生物医药 | 多光谱成像有助于伤口愈合

发布时间： 2023-01-06 10:25 来源：北京爱蛙科技有限公司

从机载测绘到天文成像再到制造检测，多光谱成像（MSI）长期以来一直是提取关键细节的首选工具，它通常来自远景。如今，MSI正在生物医学应用领域取得巨大进展，其无创、经济高效的成像能力可实时提供可定制的信息。

“有可能你在医生的办公室或医院都没有使用过光谱传感，但光谱传感非常普遍。”佛罗里达州海洋光学光谱专家、医学营销经理Heather Lovelady说。血氧计，也就是测量血液中氧含量的手指般大小的夹子，是光谱传感器。从最简单的脉冲OX到复杂的PCR（聚合酶链式反应）诊断，光谱传感已成为医学中不可或缺的一部分。

顾名思义，MSI涉及相对有限数量的光谱带（通常在3到10之间），将光谱信息与空间信息相结合以提供空间数据。凭借由此产生的可管理数据量，MSI在处理活组织时具有至关重要的优势：实时成像。

可视图像-人类扁桃体被DAPI染色

人扁桃体用dapi（4'，6-二氨基-2-苯基吲哚）和5种不同的量子点标记的一级抗体对ki67（伪色蓝色）、cd3（黄色）、cd20（红色）、igd阳性（绿色）和cd68（青色）（a）进行染色。用微差多光谱照相机对染色标本进行成像，并用优化的光谱末端成员（b）对单个通道进行非混合。皮层和地幔区（左上角，b）分别由黄色和绿色细胞显示。样品由Stefania Pittaluga博士/国家癌症研究所提供。光谱分析由Richard Levenson博士/UC Davis Health提供。

“因为我们有处理空间视觉数据的连线，因此这就成为了一种非常直观的信息传递方式，”Lovelady说。从用户的角度来看，在采用方面的障碍很少。大多数挑战在于开发适合特定应用的正确产品。”

烧伤的智能成像

由于牙医和皮肤科医生已经明白了MSI的优势，该技术已开始进入生物医学的新领域。新兴应用包括伤口护理和管理，数字病理学，新生儿护理和精确的肿瘤边界成像。通过将荧光肿瘤图像与传统的可见颜色成像实时组合，外科医生能够以更高的精度识别肿瘤边界。在手术期间，MSI和感知也可用于在切除之前检查组织的健康和灌注，这减轻了以后需要额外手术的需要。位于达拉斯的医疗器械公司Spectral MD Inc.目前正与Ocean Optics合作，为分类和其他伤口管理方案中的烧伤患者创建智能伤口成像系统。

该系统结合了人工智能（AI），可在烧伤周围深处查看，表征组织损伤，并提供有关治疗的智能见解。Lovelady说：“该国烧伤创伤专家数量有限，并且采用人工智能驱动的系统来分析和分类烧伤，可以让患者得到更快速的准确护理。” “在手术室中，烧伤外科医生利用这些信息知道哪些组织会自行愈合，哪些组织必须去除。”其他成像技术，如宽带近红外成像，只提供一个拼图，而MSI为您提供NIR图像加上任何其他波长的图像，以做出明智的决定。

据Lovelady所说，“当在手术过程中成像ICG（吲哚青绿）荧光（一种常用的染料，旨在提供额外的信息）时，你可以用近红外摄像机看到它，但是你会失去视觉范围的彩色图像。MSI可以同时用一台相机进行成像，“通过精确的分析消除猜测不仅可以减少疤痕，还可以加快恢复速度，为患者提供更好的整体治疗体验。“即使在手术室之外，”她说，“传感和成像也是医疗器械清洁度验证、制药过程控制和无创检测的热门话题。”

可视图像-新生儿无疼痛血液分析

新生儿无疼痛血液分析。光谱学是检测新生儿胆红素浓度的一种快速、简便的方法。由海洋光学公司提供。

对速度的需求

有限谱带成像系统的一个关键优势是其提供视频速率成像能力的潜力——这是其他高信息承载系统（如拉曼和高光谱成像（HSI））通常不具备的能力。尽管HSI比它的多光谱成像同行提供了更大的灵活性，但它瞄准了32到256个光谱带，生成了巨大的数据“立方体”，对存储和计算提出了巨大的要求。今天的相机每秒可以产生和传输5千兆像素，并支持多光谱成像。但正如加拿大滑铁卢的成像专家Teledyne Dalsa扫描技术的高级开发领导者Matthias Sonder所指出的那样，以典型的线扫描或帧速率生成高光谱数据需要100倍以上的带宽和超线/超立方体处理能力，而这无论如何都是不可能的。“技术将不得不继续推进，以减少或使这样的数据量成为可能，”Sonder说。Lovelady表示赞同。“我们过去常常使用无法管理大量数据的高光谱相机进行筛选，我们现在可以根据完全自定义的解决方案定制MSI，使您想要的数据在噪音中脱颖而出，”她说。“随着该领域的发展和MSI的优势得到更广泛的认可，对于可以改变行业规则的应用程序已经没有任何限制。”

增强荧光成像

MSI是荧光成像中使用的默认方法之一，通常与光栅共聚焦显微镜和光谱解析的雪崩光电二极管一起使用。该技术涉及用荧光团标记感兴趣的细胞，该荧光团可以在不同的光谱带中激发和/或发射。由于荧光显微镜在几个波长区域中获得相同的图像，光栅化会在空间（和时间）上显示细胞的亚细胞细节。Sonder强调了多光谱成像的关键优势之一，即在细胞内相互作用研究中同时分离不同荧光团的能力。“通常情况下，在任何给定时间照射下，制备的样品可能会发出两到四种不同的光谱，”他说。“今天，[低成本]显微镜中的滤光片立方体用于通过滤光片切换将这些光谱分开。”虽然领先的显微镜公司提供同时光谱采集的高端系统，但高价格往往令人望而却步，并限制个别研究人员或中型公司维护自己的系统。他说：“这限制了快速访问评估，使实验设计变得复杂。”然而，研究人员将这种技术（光栅、多光谱共焦显微镜）视为“黄金标准”，任何新技术都需要根据这一标准进行自我测量。”

描述TME的特征

在过去的二十年中，MSI已成为转化研究工作的标准，以确定肿瘤周围独特区域的特征。被称为肿瘤微环境（TME）的科学家发现MSI比传统的单色方法提供了明显的优势。“我们和其他人已经发现，基于组织的多光谱成像是这种评估的理想方法，不仅因为免疫细胞类型的重要性，也是由于它们在肿瘤内和周围的位置的重要性，以及通常情况下两种或更多种不同细胞的接近和接触类型，“加州大学戴维斯分校卫生学院病理学和实验室医学教授亚历山大（桑迪）博罗斯基说。Borowsky的实验室建议，在诊断时，每个癌症都应该对TME进行初步评估，其中包括更广泛的检查点和免疫抑制机制，以指导初始治疗选择，然后重新评估治疗。正如Borowsky在同一部门的同事Richard Levenson所指出的那样，MSI减轻了与免疫荧光（IF）测定开发相关的两个主要挑战：减少自发荧光的影响和适当分离具有重叠光谱特征的荧光团。

可视图像-5个DAPI丛成像的演示

演示5+DAPI丛成像、解混和显示。可以单独分析各个通道，并根据需要计算空间统计信息。样品由Stefania Pittaluga博士/国家癌症研究所提供。光谱分析由Richard Levenson博士/UC Davis Health提供。

可视图像-用多光谱拍摄的欧元纸币图像

IF（以及相关的显色技术、免疫组织化学或IHC）涉及对细胞和组织中的某些蛋白质进行染色以识别特定抗原。通过标记反欧元纸币图像，用具有三种不同输出（颜色、单色和近红外）的多光谱照相机拍摄。光源为白色LED（彩色和单色）和850 nm LED（近红外）。钞票上的建筑窗口图像有一半是用红外安全墨水打印的，肉眼看不见（以彩色和单色图像显示）。在850纳米的光源下，近红外通道揭示了不可见的特征。由Teledyne Dalsa提供。

体内有荧光标记物或酶，抗原/抗体的相互作用可以通过荧光或比色检测来观察。这项技术目前受限于使用必须具有明显的区别荧光团。然而，通过应用MSI成像和软件后染色，光谱重叠荧光团可以有效地“不混合”。要为每个应用程序定制要测量的多光谱波段确实需要一些前期工作。但是Levenson已经表明，一旦生成了合适的光谱库，就可以完成线性非混合。这种强大的技术已经大大提高了中频污点的图像分析量化能力。

由美国生命科学和诊断巨头Perkinelemer公司开发的Vectra Polaris利用了这一方法。该方法与公司的信息软件配合使用，可以将七种颜色和九种颜色进行混合。最终，科学家可以在多个尺度上探索生物组织，从细胞到细胞的相互作用到宏观组织结构。不幸的是，在病理学实践中临床应用和采用新技术存在许多障碍，Borowsky得出结论，剩下的障碍包括将MSI纳入培训、明确应用以推动采用和技术投资，以及协同进化和采用MSI进行常规日常诊断。但是海洋光学的Lovelady指出，随着世界逐渐从一刀切的药物转向个性化和可访问性，对分析结果的新技术的需求将继续发展。

多光谱成像和传感肯定会对生物医学诊断，治疗和治疗至关重要，并且随着成本的降低和潜在的益处得到认可，预计它将成为未来几年越来越多应用的支持技术。