تصویربرداری فراطیفی پزشکی: یک بررسی

خلاصه

تصویربرداری فراطیفی (HSI) یک روش تصویربرداری نوظهور برای کاربردهای پزشکی، به ویژه در تشخیص بیماری و جراحی با هدایت تصویر است. HSI یک مجموعه داده سه بعدی به نام hypercube با دو بعد فضایی و یک بعد طیفی به دست می آورد. تصویربرداری طیفی با تفکیک فضایی بدست آمده توسط HSI اطلاعات تشخیصی در مورد فیزیولوژی، مورفولوژی و ترکیب بافت ارائه می دهد. این مقاله مروری مروری بر ادبیات فناوری تصویربرداری فراطیفی پزشکی و کاربردهای آن ارائه می‌کند. هدف این نظرسنجی سه چیز است: معرفی برای کسانی که تازه وارد این رشته شده اند، یک مرور کلی برای کسانی که در این زمینه کار می کنند، و مرجعی برای کسانی که در جستجوی ادبیات در یک برنامه خاص هستند.

1. معرفی

تصویربرداری فراطیفی (HSI) که طیف‌سنج تصویربرداری نیز نامیده می‌شود، از سنجش از دور منشا گرفته و برای کاربردهای مختلف توسط ناسا مورد بررسی قرار گرفته است. مناطقی از جمله باستان شناسی و حفاظت از هنر، 3،4 کنترل پوشش گیاهی و منابع آب، 5،6 کنترل کیفیت و ایمنی غذا، 7،8 پزشکی قانونی، 9،10 تشخیص صحنه جرم، 11،12 زیست پزشکی، 13،14 و غیره.

به عنوان یک روش تصویربرداری نوظهور برای کاربردهای پزشکی، HSI پتانسیل زیادی برای تشخیص بیماری های غیرتهاجمی و راهنمایی های جراحی ارائه می دهد. نور تحویلی به بافت بیولوژیکی تحت پراکندگی های متعدد ناشی از ناهمگنی ساختارهای بیولوژیکی و جذب عمدتاً در هموگلوبین، ملانین و آب در حین انتشار در بافت قرار می گیرد. فرض بر این است که ویژگی های جذب، فلورسانس و پراکندگی بافت در طول دوره تغییر می کند. پیشرفت بیماری.17 بنابراین، نور منعکس شده، فلورسنت، و عبوری از بافت گرفته شده توسط HSI حاوی اطلاعات کمی تشخیصی در مورد آسیب شناسی بافت است.17-20 در سال های اخیر، پیشرفت در دوربین های ابرطیفی، روش های تجزیه و تحلیل تصویر، و قدرت محاسباتی این امکان را فراهم کرده است. برای بسیاری از کاربردهای هیجان انگیز در زمینه پزشکی.

در ادامه، هدف ما معرفی و توضیح فناوری تصویربرداری فراطیفی پزشکی (MHSI) و ارائه مروری بر ادبیات سخت افزار، نرم افزار و برنامه های کاربردی MHSI است. این نظرسنجی ادبیاتی را از پاییز 1988 تا بهار 2013 پوشش می‌دهد. ما از اصول اولیه با مکانیسم‌های HSI و وضعیت توسعه فعلی آن شروع می‌کنیم. سپس MHSI را بر اساس حالت اکتساب، محدوده طیفی و وضوح فضایی، حالت اندازه‌گیری، دستگاه‌های پراکنده، آرایه‌های آشکارساز و ترکیب با تکنیک‌های دیگر طبقه‌بندی می‌کنیم. روش های تجزیه و تحلیل تصویر برای MHSI با تأکید بر پیش پردازش، استخراج و انتخاب ویژگی، و روش های طبقه بندی خلاصه می شود. بخش کاربردها به ادبیات موجود در مورد تشخیص بیماری و راهنمایی جراحی اشاره دارد. این کاربردها عمدتاً نواحی فرابنفش (UV)، مرئی (VIS) و نزدیک مادون قرمز (نزدیک به IR یا NIR) را پوشش می دهند. خوانندگان علاقه مند می توانند برای کاربردهای بیشتر در مناطق مادون قرمز میانی (IR یا MIR) به مقالات بررسی دیگر مراجعه کنند. در نهایت، ما با بحث در مورد دستاوردهای سال های گذشته و برخی از چالش های آینده به پایان می رسیم.

2. اپتیک بافت

انتشار نور در بافت یک مشکل مهم در کاربردهای پزشکی و توسعه روش‌های تشخیصی است. بنابراین، این بخش به بررسی مختصری از مکانیسم های تعامل بافت نور، فرآیندهای نوری درگیر در HSI و اطلاعات تشخیصی مفید ارائه شده توسط HSI اختصاص دارد.

نوری که وارد بافت بیولوژیکی می‌شود، در حین انتشار در بافت، تحت چندین رویداد پراکندگی و جذب قرار می‌گیرد. 23 بافت‌های بیولوژیکی از نظر ترکیب ناهمگن با تغییرات مکانی در خواص نوری هستند. پراکندگی های مهم اندامک های درون سلولی هستند که اندازه آنها از آنها شروع می شود

<

100

نانومتر

 تا 6 میکرومتر به عنوان مثال، میتوکندری ها پراکنده غالب در بین اندامک ها هستند. ساختار یک غشای لیپیدی و چین‌های لیپیدی که در داخل آن قرار دارند، به میتوکندری کنتراست نوری بالایی با سیتوپلاسم اطراف می‌دهد و اثرات پراکندگی قوی مشاهده شده را ایجاد می‌کند. شکل و اندازه سلول‌ها در انواع مختلف بافت با ابعاد چند میکرون و بزرگ‌تر متفاوت است. خواص پراکندگی بافت‌های پشتیبان متشکل از سلول‌ها و پروتئین‌های خارج سلولی (الاستین و کلاژن و غیره) ناشی از ناهمگونی‌های کوچک مقیاس است. و تغییرات در مقیاس بزرگ در ساختارهایی که آنها تشکیل می دهند.

عمق نفوذ نور به بافت های بیولوژیکی بستگی به این دارد که بافت چقدر نور را جذب می کند. اکثر بافت ها به اندازه کافی جاذب های ضعیفی دارند که اجازه نفوذ نور قابل توجهی را در پنجره درمانی می دهند، از 600 تا 1300 نانومتر.24 در پنجره درمانی، پراکندگی بیش از حد جذب می شود، بنابراین نور منتشر شده منتشر می شود. جذب بافت تابعی از ترکیب مولکولی است. مولکول ها فوتون ها را جذب می کنند 

نور فرود می‌تواند مستقیماً روی سطح بافت منعکس شود یا به دلیل تغییرات فضایی تصادفی در چگالی بافت (غشاها، هسته‌ها و غیره) پراکنده شود و سپس به سطح بافت منتقل شود.27 نور به دلیل پراکندگی چندگانه در جهت تصادفی می‌شود. و این به عنوان بازتاب منتشر شناخته می شود که اطلاعاتی در مورد پراکندگی و جذب اجزا در اعماق بافت ارائه می دهد. خواص بیش از حجم معینی از بافت. 31 آگاهی از منشاء سیگنال های پراکندگی و جذب، مدل سازی و تفسیر دقیق داده های بازتاب را تسهیل می کند. سیگنال بازتاب اندازه گیری شده از بافت اپیتلیال توسط خواص ساختاری و بیوشیمیایی بافت تعیین می شود. تغییرات در مورفولوژی بافت، از جمله هیپرپلازی، ازدحام هسته، تخریب کلاژن در ماتریکس خارج سلولی توسط متالوپروتئینازهای ماتریکس، و افزایش نسبت هسته به سیتوپلاسمی، که با پیشرفت بیماری، می تواند بر سیگنال های پراکنده تأثیر بگذارد. با پیشرفت بیماری، جذب هموگلوبین ممکن است تحت تأثیر رگزایی و هیپوکسی بافتی و غیره قرار گیرد. بنابراین، تغییرات در حالات بیماری باید به تغییرات متناظر در الگوهای نور منعکس شده از بافت منجر شود.

تصویربرداری بازتابی می‌تواند تغییرات موضعی در خواص پراکندگی و جذب بافت را تشخیص دهد و تصویربرداری فلورسانس می‌تواند تغییرات در ترکیب بیوشیمیایی بافت را با آشکار کردن سطوح فلوروفورهای درون‌زا بررسی کند. علاوه بر این، سیستم HSI را می توان با سایر تکنیک های موجود، مانند میکروسکوپ و کولپوسکوپ، تطبیق داد تا اطلاعات تکمیلی را به شیوه ای دقیق تر و قابل اعتمادتر ارائه دهد. میکروسکوپ انتقال HSI یکی از نمونه های این فناوری های ترکیبی است و در آسیب شناسی بافت مورد استفاده قرار گرفته است.

بیوفوتونیک یا اپتیک زیست پزشکی

بیوفوتونیک یا اپتیک زیست پزشکی به ابزاری ضروری برای تحقیقات علوم پایه زندگی و برای تشخیص زیست پزشکی ، درمان ، نظارت ، تصویربرداری و جراحی تبدیل شده است. این فصل ابتدا شرح می دهد که بیوفاوتونیک چیست و فواید و کاربردهای آن چیست. سپس برخی از مفاهیم اساسی نور و تعامل بافت نور شرح داده شده است ، از جمله آنچه برای ویندوز موج خاص برای انجام فرآیندهای بیو فوتونیک مورد نیاز است.