導讀

高光譜成像技術能夠點亮各色生物標記，針對不同組織生成不同的光譜輸出，用于臨床判斷或儀器開發。基于高光譜新型神經導航技術的光譜方案，將寬帶光源和友思特全自動波長選擇器FWS結合起來，為生物腫瘤研究和臨床應用探索出了全新的發展方向。

高光譜成像用于生物醫學

高光譜成像（HSI）是一種用于生物醫學應用的新興光學模式，因其能夠將光譜化學分析和二維成像結合在一項技術中，而具有巨大的臨床轉化潛力。

HSI 包括在電磁波譜（尤其是紫外線、可見光和近紅外波段）的多個連續光譜波段上獲取寬場圖像，可用于檢索所研究組織的吸收、散射和熒光特性的完整空間光譜特征。然后，可將這些特征與組織中已知發色團和熒光團（如血紅蛋白、細胞色素-c-氧化酶、NADH、FAD 等）的光學指紋相關聯，這些特征代表了生物目標的生理、病理和病理（如血液動力學、氧飽和度、新陳代謝等）方面的生物標記。

高光譜成像新型神經導航系統方案

來自意大利佛羅倫薩大學的課題組和意大利國家光學研究所共同合作，基于 HSI 的新型神經導航技術，將目前的神經外科實踐轉變為定量、精確、實時和功能導向的成像方法。

研究人員開發了名為 HyperProbe1 的實驗室成像裝置，這是一個用于臨床前應用的研究型高性能設備，將用于指導未來醫用 HSI 儀器的開發和升級，以便臨床應用于手術室，特別是用于膠質瘤切除術中的神經導航。

HyperProbe1 充分利用了 HSI 的能力，可在從近紫外到近紅外的寬波長范圍內靈活多變地選擇光譜波段的數量和類型，同時還能獲得高性能的空間和時間分辨率數據集。該系統目前用于研究成像技術的適用性和針對性，對體內外動物模型的腦外科相關生物標志物進行成像和量化，為健康和病理腦組織及其生理學提供廣泛而詳盡的光學特征和定制信息。

圖1. 左：HyperProbe1的組件概念圖；右：所有配件的實際組裝圖

圖1顯示了 HyperProbe1 系統的所有主要組件。該裝置主要由寬帶等離子體光源（PLS）、友思特波長選擇器、攝像機和其他光學器件組成。

PLS是一種由激光誘導等離子驅動的相干照明，在 250-2500nm 上獲得更高的光譜輻射率。PLS 與基于 TwinFilm? 技術的友思特靈活波長選擇器（FWS）相結合，可在 385-1015nm 之間任意選擇所需光譜帶，并可調整其帶寬（3-15 nm，FWHM）。FWS 可以在 10ms 內快速切換相鄰（5nm為一個步驟）的光譜帶，跨越整個工作范圍大約需要 100ms。

PLS 和 FWS 組合發出的濾波光通過光纖傳輸系統照射到樣品上，在目標上形成 2-3cm2的照明光斑。每個光譜波段的圖像采集均采用高像素（420萬像素）、高分辨率（6.5μm 像素尺寸）的 sCMOS 攝像機，其采集幀頻可達 40幀/秒。相關光學器件由兩個可互換物鏡（和共軛管透鏡）組成：(1) 1×微距物鏡，視場約為 1×1cm2；(2) 15×反射物鏡，視場約為 1×1mm2。最后，在物鏡和相機組件之間有一個電動濾光片輪，可自動選擇多達10個發射濾光片插槽，切換速度 40-70ms 之間。發射濾光片可根據相關熒光團的發射特征進行定制，從而同時獲取目標組織的反射和熒光高光譜數據。

系統方案詳解及其光譜圖像

在系統中，友思特波長選擇器的作用是在PLS的寬帶光譜中，篩選出特定波段的單色光。部分單色光在光譜作用中會發生特定反應，使用寬帶光譜進行一次檢驗會忽略掉這些特征光得出的特征峰，而使用單色光作為探測光源，會排除其它波段的影響，只突出目標波段的結果，提高檢測的精確性，尤其是在弱反應的情況下。在波長選擇器的作用下，HyperProbe的光譜輸出如圖2所示。

圖2. 左：HyperProbe1.1 系統各光譜帶的功率輸出；右：HyperProbe1 的光譜輸出

左圖表示HyperProbe1.1 系統各光譜帶的功率輸出，其中紅色曲線表示帶寬為 5nm 時的功率發射，黃色曲線表示帶寬為 15nm 時的功率發射。右圖則顯示了HyperProbe1 的光譜輸出，包含從 385-1015nm 的33個均勻采樣波長帶，以 15- 20nm 為步長，最小帶寬為 5nm。

目前，HyperProbe1 已被用于研究和鑒定體外神經膠質瘤樣本，這些樣本是由佛羅倫薩OUC提供的患者新鮮手術活組織切片。樣本包括低級別膠質瘤（LGG）和高級別膠質瘤（HGG）。

在圖3中，a) 即為膠質瘤活檢樣本， 其中 FOV 的位置被突出顯示；b) 為用 HyperProbe1 采集的活檢樣本光譜圖像，設置波長為 400nm，并在 FOV 中選擇 ROI，根據原始反射率數據 R 計算出平均衰減 A 光譜，即 A=-log10(R)；c) 則為樣本相應 ROI 中的平均衰減光譜圖。

圖 3. a) 膠質瘤活檢樣本；b）用 HyperProbe1 采集的活檢樣本光譜圖像；c）樣本相應 ROI 的平均衰減光譜

初步結果表明，HyperProbe1 可以檢索以下方面相關的光學指紋：(1) 可見光范圍（500-610nm）內的氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白；(2) 近紅外范圍（780-900nm）內的細胞色素-c-氧化酶 (CCO)。這些分別是腦血流動力學和新陳代謝的指標。

此外，初步結果還表明，LGG 和 HGG 的光譜特征存在顯著差異，如圖4所示。這表明有可能使用 HyperProbe1 來區分腦腫瘤的不同進程狀態。

圖 4. a) 一般腦組織中 HbO2、HHb、脂質和水的純吸收光譜以及散射系數；b) 一般腦組織中 HbO2、HHb、oxCCO 和 redCCO 的純摩爾消光光譜3,4。

參考資料：L. Giannoni, et al, A novel hyperspectral imaging tool for preclinical and translational investigations of brain tissue physiology and pathology.

友思特生物腫瘤熒光標記方案產品

FWS-POLY

友思特全自動波長選擇器 FWS-Poly 是一種可調諧濾波器，基于TwinFilm?專利技術，通過 USB 通信提供對中心波長和帶寬的簡單軟件控制（掃描或設置），并在所有波長上均勻地調整帶寬，可根據具體型號在 2-15nm（標稱值）范圍內調整。它可以與任何類型的準直光源（超連續譜激光源或寬帶燈）一起使用，為光譜學和光譜成像應用產生連續可調的光源。

全自動波長選擇器 FWS-Poly 有兩種版本：Poly-RED 和 Poly-BLUE。具體取決于帶寬控制功能，允許用戶根據應用需求自定義從255-1700nm的波長范圍。

TLS 可調激光光源

友思特TLS是一體式的可調諧光源系統，也是一種皮秒可調諧激光器，可應用于各種領域，從熒光顯微鏡到時間分辨光譜，如TCSPC、高光譜成像、機器視覺、半導體、傳感器和其他應用。該系統即插即用，無需對齊或調整。

TLS同樣具備兩種版本：TLS-RED可以在大約 400-1700nm 寬波長范圍內產生各種波長的輸出光束，并且可以控制輸出光束的 FWHM (2-15nm，標稱)，適用于需要精確掃描的領域。TLS-BLUE 具有相同的寬波長范圍，固定FWHM在10或20 nm(可選)，適用于產量要求高的領域。

歡迎訪問官網，探索豐富案例：https://viewsitec.com/wavelengthselector/

審核編輯 黃宇