基于数字微镜器件(DMD)的动态可调区域高光谱成像系统开发及其在癌症诊断中的应用

本研究针对传统高光谱成像(HSI)系统在动态环境中空间/光谱分辨率固定、测量区域不可调的局限性，韩国明知大学团队创新性地开发了基于数字微镜器件(DMD)的动态可调HSI系统。通过DMD二进制模式控制，实现了目标区域选择性光谱测量与宽场成像同步获取，光谱分辨率达5 nm，并在胃癌组织H&E染色切片中成功区分癌变与正常组织的光谱特征。该技术为内窥镜检查等动态场景提供了灵活的高分辨率HSI解决方案。

　　

在医学诊断和工业检测领域，高光谱成像(HSI)技术因其能同时获取空间和光谱信息的独特优势，逐渐成为区分复杂样本的有力工具。然而传统HSI系统就像戴着固定焦距眼镜的观察者——无论是空间扫描、光谱扫描还是快照式成像，其空间分辨率、光谱分辨率和采集速度都被光学元件牢牢锁死。当遇到动态变化的检测环境或形态各异的生物组织时，这些系统就显得力不从心。更棘手的是，传统方法需要先获取完整图像再通过后处理选择目标区域，这种"先拍照后对焦"的方式在实时诊断场景中尤为不便。

韩国明知大学能源系统研究系的Jonghee Yoon团队在《Scientific Reports》发表的研究，带来了一款如同"智能变焦眼镜"的新型HSI系统。研究人员巧妙利用了数字微镜器件(DMD)的二进制反射特性——每个微镜就像微型开关，能在两个固定角度间切换。通过编程控制微镜阵列的"开"(On)和"关"(Off)状态组合，系统可动态划定光谱采集区域，同时将非测量区域的图像直接导入CMOS相机。这种设计不仅实现了5 nm高光谱分辨率，还能在宽场图像中直观显示光谱采集区域（呈现为暗区），省去了繁琐的图像配准步骤。

关键技术方法包括：1)搭建4f光学系统消除DMD衍射效应；2)使用超连续激光光源(420-720 nm)配合声光可调滤波器(AOTF)实现波长精确调控；3)通过积分球确保光谱采集均匀性；4)采用1951 USAF分辨率靶标验证空间分辨能力；5)应用胃癌患者H&E染色组织切片(经机构审查委员会批准)进行临床验证。

【Concept of the DMD-based hyperspectral imaging system】
研究团队设计的核心创新在于DMD的双重角色分配。"开"状态微镜将光线导向光谱仪进行高分辨率光谱分析，而"关"状态微镜则将光线反射至CMOS相机形成宽场图像。这种设计如同在照相机中内置了可编程的"光谱探针"，用户通过MATLAB生成二进制图案就能自由定义测量区域的形状和大小。图1展示的示例中，光谱采集区域在宽场图像中清晰可见为暗色方块，实现了"所见即所测"的直观操作。

【Technical evaluation of the proposed method】
光学测试表明，虽然DMD反射导致约50%光强损失，但光谱轮廓保持完整（图2B）。使用5 nm带宽光源时，450-700 nm范围内获取的宽场图像空间对齐精度达亚像素级（图2D）。更重要的是，不同DMD图案对应的光谱曲线仅存在强度差异（源于激光高斯分布），而谱线形状完全一致（图2C），证明系统不存在波长依赖性偏差。

【Assessment of the accuracy of spectral data acquisition】
空间分辨能力验证实验颇具巧思。研究人员在1951 USAF分辨率靶的条纹上覆盖红、绿、蓝三色滤纸，通过DMD分别选择各颜色区域采集光谱（图3B）。测得的三色光谱特征差异显著（图3C），且混合区域的测量结果与理论叠加曲线高度吻合（图3D）。梯度混合实验进一步显示，系统能精确反映不同比例的空间组合对应的光谱变化（图3E），这为后续光谱解混应用奠定了基础。

【Clinical application of the proposed method】
在最具说服力的临床验证中，系统成功区分了胃癌组织与正常组织的特征光谱（图4）。虽然绝对吸光度值与LCTF(液晶可调滤光片)基准存在差异（源于放大倍数等因素），但癌变组织在500-600 nm波段相对高吸收的趋势保持一致。这印证了医学HSI领域的重要共识——光谱轮廓形状比绝对强度更具诊断价值。

这项研究的突破性在于将DMD的快速编程特性(微秒级切换)与光谱仪的高分辨率优势相结合，创造出"静态测量、动态选择"的新型HSI范式。相比需要机械扫描的传统系统，该技术尤其适合内窥镜检查等目标不固定的场景——医生可先大范围快速扫描，发现可疑区域后再进行精细光谱分析。虽然目前存在光通量损失（主要来自4f系统和积分球）的局限，但研究者指出采用多模光纤替代积分球是可行的改进方向。

随着深度学习在HSI分析中的广泛应用，这种能提供精确空间标注的原始数据采集系统将显现更大价值。研究团队特别强调，该方法不局限于可见光波段，通过更换光学元件即可扩展至近红外等波长范围。从工业检测到癌症早筛，这项技术为动态环境下的高精度物质识别开辟了新途径，堪称下一代HSI系统的雏形。