Forskare har utvecklat en unik högupplöst bildbehandlingsmetod som kan fånga spektralbilder i mitten av infraröda spektrum av snabba händelser eller dynamiska processer som äger rum i storleksordningen millisekunder. Detta spektralområde används för många tillämpningar eftersom det kan avslöja den detaljerade kemiska sammansättningen av ett prov.
"Det här nya tillvägagångssättet skulle en dag kunna användas för att förscreena medicinska biopsier för att identifiera de som behöver undersökas närmare, sa Peter Tidemand-Lichtenberg, en medlem av forskargruppen från DTU Fotonik i Danmark. "Den skulle kunna användas för att leta efter de kemiska signaturerna för cancer och andra sjukdomar på ett sätt som skulle öka noggrannheten och snabbheten för diagnoser."
En multiinstitutionell grupp av forskare beskriver den nya avbildningsmetoden i Optica , The Optical Societys (OSA) tidskrift för effektfull forskning. De visar också några av teknikens potentiella tillämpningar genom att avbilda ett gasflöde och särskilja cancerösa och normala prover av esofagusvävnad.
"Även om medelinfraröd spektroskopi är erkänt som ett kraftfullt verktyg för kemisk analys, dess tillämpbarhet har hämmats av bristen på prisvärda ljuskällor och känsliga detektorer, sade Tidemand-Lichtenberg. För att övervinna denna barriär, vi använde en metod som översätter information från det mellaninfraröda området, där de kemiska signaturerna är mest distinkta, till det nära infraröda, där dagens kamerateknik är mest mogen och känslig."
Praktisk mellaninfraröd spektroskopi
Forskarna utgick från en process som kallas icke-linjär frekvensomvandling där energi läggs till en foton för att ändra dess våglängd, och därav dess färg. Även om frekvensomvandling, eller uppkonvertering, används ofta för att ändra våglängden på en lasers uteffekt, forskarna från DTU Fotonik utvecklade ett detekteringssystem som kunde flytta en hel mid-IR-bild till det nära-infraröda våglängdsområdet samtidigt som all rumslig information bevaras.
Systemet innehåller en ny mellaninfraröd ljuskälla utvecklad av medarbetare från The Institute of Photonic Sciences (ICFO). Denna ljuskälla med en våglängd kan ställas in på olika våglängder och den använder också frekvensomvandling för att generera det mellaninfraröda ljuset. Faktiskt, forskarna använde samma pulsade nära-infraröda laser för två saker:för att generera det avstämbara mid-IR-ljuset och för att uppnå bildens uppkonvertering.
"Detta tillvägagångssätt ger höga toppeffektpulser i perfekt synkronism, eliminerar behovet av sofistikerad tidsstyrning av pulserna, vilket leder till bilder med ett bra signal-brusförhållande, förklarade Tidemand-Lichtenberg. vår optiska installation är designad på ett sätt som kräver väldigt lite efterbearbetning efter att bilderna har hämtats."
Avbildning av snabba händelser och komplexa prover
Forskarna demonstrerade avbildningshastigheten för deras nya medelinfraröda uppkonverteringsspektroskopi genom att ställa in belysningslasern för att matcha toppabsorptionen av ett gasflöde och skaffa en video med 40 bilder per sekund.
De genomförde också en pilotstudie, ledd av teammedlemmarna från Exeter University, där systemet användes för att utvärdera cancerösa och friska esofagusvävnadsprover. De fann att morfologi och spektralklassificering med deras system matchade väl med standardfärgade histopatologiska bilder.
"Vår uppkonverteringsmetod är generisk och utgör en stor förenkling i realiseringen av videobildhastighet, mellan-infraröd monokromatisk bildbehandling, sa Tidemand-Lichtenberg.
"Den spektrala informationen som denna teknik ger kan kombineras med maskininlärning för att möjliggöra snabbare, och möjligen mer objektiv, medicinsk diagnostik baserad på kemiska signaturer utan behov av färgning."
