所提出的高光谱内窥镜成像系统在导管尖端配备了光谱 LED 阵列。
胃肠道癌症仍是最常见的癌症类型之一。在过去二十年中，内窥镜检查已成为癌症筛查和诊断的基石，但该过程仍会因可见度限制而漏诊约 8%至 11%的肿瘤。现在，研究人员开发了一种原型成像系统，有望显著提高医生在内窥镜操作过程中检测癌组织的能力。该新方法发表在《医学成像杂志》上，它将发光二极管（LED）与高光谱成像技术相结合，以创建肉眼不可见的组织特性详细图谱。与标准内窥镜不同，后者使用广泛的红色、绿色和蓝色颜色通道来捕捉图像，而高光谱成像则记录涵盖众多狭窄波长带的数据，包括超出可见光谱范围的光线。这使得该系统能够检测到癌组织中的生化变化，这些变化会产生独特的光谱特征。测试 LED 阵列概念由费宝伟博士领导的研究团队完成，他是德克萨斯大学达拉斯分校定量生物成像实验室的教授，同时也是塞西尔·H. 和伊达·格林系统生物学科学讲席教授。该研究团队设计并测试了一个基于 18 个 LED 阵列的原型系统，每个 LED 都能发出不同波长的光，范围从 405 纳米到 910 纳米。该系统使用单色相机依次照亮目标组织来捕捉图像，从而构建出完整的高光谱数据集。研究人员通过对手术中切除的正常组织和癌组织样本进行成像，对他们的基于 LED 的系统进行了评估。他们研究了不同的成像条件对高光谱数据质量的影响，并将结果与作为金标准的参考高光谱相机系统进行了比较。在医疗应用方面具有前景的结果基于 LED 的原型系统成功地从各种组织类型中捕获了高光谱特征，所生成的数据与参考系统相当。研究人员发现，他们的方法能够每秒处理超过 10 个高光谱数据集，这接近实际内窥镜操作所需的实时速度。“我们的研究表明，使用光谱 LED 阵列作为高光谱成像的照明源是可行的，”德克萨斯大学达拉斯分校的博士生、第一作者纳埃米·莫迪尔评论道。“我们的发现表明，基于 LED 的系统可能会为高光谱成像应用开辟新的可能性，”她说道。（a）实验设置中，FPGA 和 LED 驱动板控制着暗箱内的 LED，并且连接着这些板的笔记本工作站用于图像采集。（b）在暗箱内部，组织被放置在可以改变高度的平台上，而 LED 被控制来进行高光谱扫描。图片来源：《医学成像杂志》（2025 年）。DOI: 10.1117/1.JMI.12.3.035002 与现有技术相比的优势基于 LED 的方法相对于现有的高光谱内窥镜系统具有若干潜在优势。传统的高光谱内窥镜通常需要光纤束通过内窥镜的工作通道来传输光线，这会限制内窥镜工作通道内可供其他医疗仪器使用的空间。而这种新设计将发光二极管直接置于内窥镜的前端，从而让工作通道能够空出空间用于手术工具或其他操作。该系统还允许医生根据与目标组织的距离，分别单独调节每个发光二极管的亮度。这种实时控制有助于避免因光线过强而导致的传感器饱和问题，以及因光线不足而产生的图像噪声问题。此外，由于组织仅短暂地暴露于每个波长下，这种方法可能与使用广谱白光的系统相比，能减少长时间光照可能造成的潜在损伤。技术创新与未来应用研究人员使用波长扫描的方法设计了他们的系统，即发光二极管按不同的波长依次照亮组织。这种方法在速度和高光谱分辨率之间找到了平衡。这种方法与其他高光谱成像方法形成了鲜明对比，这些方法要么为了提高分辨率而牺牲速度，要么为了提高速度而牺牲分辨率。微发光二极管技术使该系统适用于医疗用途。这些微型发光二极管的尺寸小于 400 平方微米，可以安装在内窥镜尖端的电路板上，围绕着相机。这种紧凑的设计使得能够集成数十个发光二极管，而不会显著增加内窥镜的尺寸。能够定制用于成像的光谱带也是一项优势。医生有可能选择特定的光谱带进行成像。
