光学诊断技术传统上被划分为两个宽泛的领域:光学成像和光谱诊断.光谱诊断技术通常是通过获得组织上某一点在某一感兴趣波长范围的完整光谱来进行诊断,这是一种单点测量的技术.光学成像技术则是记录样本在某一波段(灰度)或者是某几个波段(彩色)的两维图像.本文根据遥感中推帚式成像光谱仪的原理,将高光谱成像技术与显微镜相结合,设计了显微高光谱成像系统.由于该系统可以对样本进行无损伤、无接触检测,因而可用于生物活体组织的定量化检测和评价.存本论文中,对自行研制的显微高光谱成像系统的成像机理和生物医学应用进行了综合深入地研究,取得了如下几点具有创新的成果: 1、在分析推帚式成像光谱仪的成像原理的基础上,对显微高光谱成像系统的关键技术进行了研究,包括分光系统、载物台自动装置和数据采集系统等.分析了显微高光谱成像系统的技术指标和系统的性能,为显微高光谱数据的预处理和定量化提供依据.2、在分析高光谱成像系统成像的光学模型和数据模型的基础上,结合显微高光谱成像系统的性能,对生物组织的显微高光谱数据进行了预处理.提出了基于直方图匹配的辐射校正方法以及根据空白图像进行系统光谱响应校正的算法.给出了生物组织透射率的定义,提出相应的透射率反演方法.消除了光源和系统光谱响应等因素的影响,对数据进行归一化处理,使该系统测量的生物组织样本数据具有可比性.另外,通过对比分析同一样本同一类组织细胞、不同样本同一类组织细胞、同一样本不同类组织细胞以及不同时间采集的组织细胞的透射率光谱,验证了显微高光谱成像系统的可重复性. 3、在分析生物组织的图像特征和光谱特征的基础上,定义了生物组织的光谱吸收指数的概念,对基于光谱角度匹配的光谱相似性度量算法进行了改进,分析了生物组织的光谱特征及其生物化学基础,结合显微高光谱数据的特点,提出了基于光谱角度匹配变换的边缘检测算法及光谱信息和纹理相融合的图像分割算法,并使用该算法对大鼠视网膜外核丛进行了分割. 4、对显微高光谱成像系统应用于糖尿病视网膜病的研究进行了探索.以培养的大鼠为实验研究对象,使用显微高光谱成像系统采集了正常对照组、糖尿病组和LCVS1001药物治疗组的大鼠视网膜组织切片的显微高光谱图像,使用建立的模型对获得的数据进行了预处理,并首次获得了样本的透射率光谱曲线.首次找出了糖网病变的特征吸收峰,对病变区域进行了检测,提出了病变程度的定量化评价指标:外核丛厚度、细胞核密度和光谱吸收指数,并给出了相应的计算方法,同时根据这些指标对药物治疗效果进行了初步评价. 5、对显微高光谱成像系统应用于血液细胞的自动分析进行了探索.以人血液涂片为研究对象,使用显微高光谱成像系统采集了正常血液、白血病血液的显微高光谱图像.对获取的数据进行归一化和预处理的基础上,结合血细胞的形态特征和现有的血细胞分析方法,首次对红细胞、淋巴细胞和白血病病变细胞的显微高光谱图像特征和透射率光谱特征进行了分析,实现了病变细胞的分割和形态参数的定量计算,对显微高光谱成像系统应用于血细胞的自动分析进行了探讨.