Spektrala bilder, som innehåller mer färginformation än vad man kan få med en vanlig kamera, avslöja egenskaper hos vävnad och andra biologiska prover som inte kan ses med blotta ögat. En ny smartphone-kompatibel enhet som hålls som en penna kan göra det praktiskt att få spektrala bilder av vardagliga föremål och kan så småningom användas för medicinsk diagnos på avlägsna platser.

Potentiella tillämpningar av den nya enheten inkluderar att detektera syremättnad i en persons blod, bestämma köttets färskhet i mataffären och identifiera frukt som är den perfekta mognaden. Spektrometern kan också göra det lättare att skaffa spektral data inom området för vetenskapliga studier.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Biomedicinsk optik Express , forskarna beskriver hur man gör den nya penna-liknande spektrometern och visar dess förmåga att förvärva spektralbilder av bananer, fläsk och en persons hand. Den nya enheten kan detektera våglängder från 400 till 676 nanometer vid 186 platser samtidigt.

"Det enklaste sättet att använda en spektrometer är att vinka den över den del av kroppen eller objektet som undersöks, "sa författaren Fuhong Cai, Hainan University, Kina. "Dock, många hemgjorda bärbara spektrometrar använder en smarttelefonkamera för att skaffa data och en telefonhållare som innehåller annan nödvändig optik. Vaggan kan vara svår att justera korrekt och gör det besvärligt att vifta med smarttelefonen över kroppen. "

Istället för att använda en smarttelefonkamera för att ta bilder, den nya spektrometern använder en kommersiellt tillgänglig komplementär metalloxid-halvledarkamera (CMOS) som trådlöst överför bilder till en smartphone. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att montera en cylindrisk spektral bildanordning som bara väger 140 gram (cirka 5 uns) som är ungefär lika lång som smarttelefonen och drygt 3 centimeter i diameter.

Använda hyllkomponenter

Den nya penna-liknande spektrometern använder alla kommersiellt tillgängliga komponenter som kan köpas för mindre än $ 300 (US). Ljuskällan är en uppsättning vita lysdioder, som ansluter till ett optiskt linsrör från hyllan med CMOS-detektorn och andra optiska komponenter som är nödvändiga för spektral avbildning.

Man kan använda den penna-liknande spektrometern helt enkelt genom att flytta den över målområdet för hand. Denna manuella push-broom-skanningsprocess bygger upp en serie spektralbilder som skickas till en smartphone eller dator där programvara sy ihop spektralbilderna till en 3D-spektral bilddatakub.

Forskarna testade spektrometern genom att använda den för att upptäcka bananmognad och nivåer av myoglobin-det järninnehållande proteinet som ger köttet dess färg-i en fläskbit. De använde det också för att skanna en persons hand, få en 16-sekunders video som innehåller 200 spektralbilder. Från 3D -spektralbilderna, forskarna kunde skilja fem fingrar och handflatan och såg skillnader i hemoglobinfördelning i olika delar av handen.

Forskarna är också intresserade av att använda sin kompakta bildspektrometer för miljöövervakning. "Vi utvecklar distribuerade spektralkameror som kan användas för en mängd olika havsundersökningar, som att upptäcka upplöst organiskt material i vatten eller pigment som indikerar tidiga tecken på skadliga algblomningar, "sa Cai." Eftersom bildspektrometern kan anslutas till vilken typ av kamera som helst, Vi undersöker också tanken på att fästa den på kameran på ett autonomt fordon för att skapa ett fjärranalyssystem. "

Optimera systemet

Även om man använder kommersiellt tillgängliga komponenter för att göra prototypen innebär att alla kan montera enheten, det sätter också vissa gränser för upplösning och känslighet. Till exempel, prototypen kan bara lösa våglängder som skiljer sig åtminstone med 17 nanometer.

"Vi förväntar oss betydande förbättringar av spektralupplösningen i framtiden genom att använda en förbättrad kamera med ett objektiv med lång brännvidd, "sa Dan Wang, Beijing University of Chemical Technology, Kina, medlem i forskargruppen. "Dessa förbättringar skulle utöka applikationerna för enheten."

Forskarna planerar också att utveckla programvara för att göra spektralbildaren ännu mer användbar. "Vi vill utveckla sätt att använda maskininlärningsalgoritmer för att analysera de stora mängder data som kan samlas in med den bärbara spektraavbildaren, sa Sailing He, Zhejiang universitet, Kina, medlem i forskargruppen. "Vi vill också skapa programvara för smartphones som använder spektrala bilddata för att mäta köttets färskhet, till exempel."