SEER的成像技术可以更快地产生更清晰的图像

01 导读

    近日，美国南加州大学等单位的科研人员提出了一种名为光谱编码增强表示（Spectrally Encoded Enhanced Representations ，SEER）的技术，该技术能够有效改善荧光高光谱图像的可视化效果，对于组织和细胞水平上的生物研究、医疗图像诊断具有巨大的促进作用。

图1 SEER方法处理后的某种动物肌肉组织荧光高光谱图像

（右侧色条表示与一种颜色相关的主波长，以纳米为单位）

02 研究背景

    为了探索疾病成因，往往需要探察生物体中不同成分之间复杂的相互作用机理，第一步就是要看清细胞、蛋白质等紧密交织在一起的成分。

2.1 荧光高光谱成像技术

    作为荧光标记技术和高光谱成像技术的结合体，荧光高光谱成像（fluorescence hyperspectral imaging，fHSI ）技术成为研究人员明辨生物细胞和分子的有效工具，具有以下优点：
   （1）可以区分不同颜色；

   （2）能够标记感兴趣的分子，便于持续关注；

   （3） 能获取生物体内动态变化的彩色图像。

图2 Zebrabow样本fHSI图像数据以及对应的原始光谱响应

2.2 fHSI技术的缺点

    由于高光谱成像技术的固有特点，fHSI技术也存在以下缺点：
   （1）该成像技术无法针对所有谱段成像；

   （2）系统复杂，图像采集与处理时间很长；

   （3）fHSI数字图像的生成不具备实时性。

    虽然荧光高光谱的事后分析能力相当强大，但上述缺点限制了该项技术在医学领域的应用和发展，一个重要原因就是当科研人员在一定时间延迟后才能发现异常，此时再采取针对性的操作已经来不及。

2.3 可能的解决途径

    为了优化实验，在采集数据的同时或数据分析之前就对光谱数据的有效信息进行可视化处理成为一种绝佳的选择，对于荧光高光谱视频成像而言更是如此。这种预先可视化处理使科学家能够评估实验过程中的图像采集参数，并选择最合适的处理方法。

    然而，挑战在于如何采取合适的方法，使得人眼能够从普通显示器的图像上观察到有用信息。光谱信息压缩成为正确显示图像信息的关键步骤。

图3  Zebrabow样本fHSI图像标准可视化方法处理结果

03 创新研究

    为了解决光谱信息压缩问题，作者提出光谱编码的增强表示（SEER）方法。SEER是一种基于降维思想的处理方法，利用相位矢量的数学特性，将波长空间转换为信息丰富的彩色图像，以在RGB显示器上实现可视化。

    在获取到图2 （b）所示的原始光谱响应之后，SEER的过程主要包括下图4所示的5个步骤，涉及到原始相位矢量生成、相位矢量降噪、参考映射选择、对比度调整、对比模式选择、色彩冲映射等步骤，得到如图5所示的结果。

图4  SEER过程

图5 Zebrabow样本fHSI图像SEER方法处理结果   

        SEER方法的优势在于：

    （1）图像更直观

    （2）覆盖全谱段

    （3）高速、高清

    （4）低内存需求

       未来，SEER技术将首先应用于医学研究领域：研究人员将与医生合作，将该算法用于肺部疾病的早期检测等方面。随着成像技术的进步，未来可以fHSI和SEER等技术也可以应用在手机上，改善消费者的生活体验。

原文链接：《Nature-通讯：新型高光谱疾病成像技术，癌症检测更快更清晰》

 《Pre-processing visualization of hyperspectral fluorescent data with Spectrally Encoded Enhanced Representations》

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