封面展現(xiàn)了多光譜成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用。將皮膚鱗癌中的細(xì)胞視作星系，利用精細(xì)的多光譜成像，觀察這些“星系”間的相互作用及演變過(guò)程。在該技術(shù)中，細(xì)胞被藝術(shù)化為星系和恒星，并被置于廣闊的宇宙背景中，以此強(qiáng)調(diào)腫瘤細(xì)胞在微環(huán)境中的復(fù)雜性，以及它們與星系動(dòng)態(tài)的相似性。多彩的光束代表不同的光譜范圍，每種顏色對(duì)應(yīng)揭示了組織中特定的生物標(biāo)志物或病理狀態(tài)。這種視覺(jué)呈現(xiàn)使我們能夠清晰地區(qū)分正常與癌變細(xì)胞間的差異，類似于天文學(xué)家通過(guò)光譜來(lái)識(shí)別不同的天體。該方法為病理學(xué)研究提供了新思路，展示了科技在解讀生命科學(xué)奧秘中的潛力。

一、研究背景

皮膚鱗狀細(xì)胞癌（cSCC）是全球常見(jiàn)的皮膚癌之一，其復(fù)發(fā)率高，診斷復(fù)雜。cSCC在皮膚上的表現(xiàn)多變，從微小紅斑到顯著結(jié)節(jié)，使得鑒別診斷具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)顯微成像技術(shù)主要依賴RGB圖像，這限制了能夠獲取的信息維度，增加了對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的依賴，并受制于染色標(biāo)準(zhǔn)的不一致性。在臨床實(shí)踐中，早期的cSCC病變可能僅表現(xiàn)為表皮層的細(xì)微變化，這在常規(guī)顯微觀察中容易被忽視。如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治療，cSCC可迅速進(jìn)展為侵襲性腫瘤，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)移。此外，cSCC隨病情進(jìn)展對(duì)患者的影響逐漸加重，治療難度增大，對(duì)患者生活質(zhì)量的影響顯著。

為提高早期診斷的精度和效率，減輕醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān)，上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與視光學(xué)課題組研究開(kāi)發(fā)了多光譜顯微成像技術(shù)，通過(guò)分析皮膚組織在不同光譜下的反射特性，揭示微觀結(jié)構(gòu)的早期變化，從而在早期階段準(zhǔn)確識(shí)別cSCC，優(yōu)化診療流程，提升治療效果。

二、創(chuàng)新工作

課題組基于自主研發(fā)的多光譜顯微成像系統(tǒng)，對(duì)cSCC及正常皮膚組織的病理學(xué)特征進(jìn)行了深入研究。該系統(tǒng)集成了13個(gè)窄帶LED照明單元，覆蓋了420~680 nm的光譜范圍，提供比傳統(tǒng)RGB圖像更為豐富的光譜信息。系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。這一技術(shù)的應(yīng)用提升了對(duì)皮膚病理結(jié)構(gòu)的識(shí)別能力，有助于更準(zhǔn)確地分析和理解病變組織與正常組織之間的微觀差異。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了多光譜顯微成像系統(tǒng)，通過(guò)精密的光源控制和高分辨率的成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞層面上微小變化的精確捕獲。結(jié)合電動(dòng)平移臺(tái)和高性能CMOS相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了圖像的自動(dòng)化采集，極大提高了操作的精確性和效率。為了提升用戶操作體驗(yàn)和實(shí)時(shí)圖像處理的效率，本課題組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于量子工具包（Qt）框架的高度模塊化用戶界面，該界面不僅用戶友好，同時(shí)也支持快速調(diào)整和實(shí)時(shí)反饋；同時(shí)采用尺度不變特征變換（SIFT）技術(shù)及圖像分割算法進(jìn)行圖像拼接，確保了圖像分析的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。對(duì)于圖像分割，結(jié)合了自適應(yīng)閾值法和隨機(jī)森林算法來(lái)識(shí)別和分割關(guān)鍵的病理特征，如細(xì)胞核、角化珠和大脂滴等。這些算法提高了分割的精確度，尤其是在復(fù)雜或低對(duì)比度的圖像場(chǎng)景中。

通過(guò)上述技術(shù)，我們能夠在多光譜圖像上執(zhí)行定量分析，例如計(jì)算核質(zhì)比和其他形態(tài)學(xué)參數(shù)，這些是區(qū)分正常組織與cSCC組織的關(guān)鍵指標(biāo)。如圖2所示，偽彩色處理進(jìn)一步增強(qiáng)了圖像的視覺(jué)效果，使得病理結(jié)構(gòu)更加明顯，便于病理學(xué)家進(jìn)行精確診斷。與上海瑞金醫(yī)院合作進(jìn)行的臨床樣本測(cè)試表明，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了高的敏感性和特異性。自動(dòng)化特性減少了病理診斷所需的時(shí)間和人力，有效提升了診斷流程的效率。

圖2 分割偽彩圖。（a）600 nm波段正常組織的分割圖；（b）630 nm波段正常組織的分割圖；（c）600 nm波段cSCC組織的分割圖；（d）630 nm波段cSCC組織的分割圖

三、總結(jié)與展望

該研究不僅驗(yàn)證了多光譜顯微成像技術(shù)在皮膚病理學(xué)中的應(yīng)用潛力，還提高了病理診斷的精確性和效率，為未來(lái)的臨床診斷提供了一條新的技術(shù)路徑。未來(lái)，我們計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)展該技術(shù)的應(yīng)用范圍，探索其在其他類型皮膚病變，如黑色素瘤和基底細(xì)胞癌等的診斷潛力，并致力于將這一技術(shù)商業(yè)化，以便更廣泛地服務(wù)于臨床需要。通過(guò)積累更多的臨床數(shù)據(jù)和優(yōu)化算法性能，希望能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確率和操作便捷性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的病理診斷，特別是排除陰性樣本的能力，為皮膚病理學(xué)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，為降低病理醫(yī)生的勞動(dòng)強(qiáng)度提供技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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