Hyperspektral avbildning (HSI) är en toppmodern teknik som fångar och bearbetar information över ett givet elektromagnetiskt spektrum. Till skillnad från traditionella bildtekniker som fångar ljusintensiteten vid specifika våglängder, samlar HSI in ett fullt spektrum vid varje pixel i en bild. Dessa rika spektraldata gör det möjligt att skilja mellan olika material och ämnen baserat på deras unika spektrala signaturer.

Nära-infraröd hyperspektral avbildning (NIR-HSI) har väckt stor uppmärksamhet inom livsmedels- och industriområdet som en oförstörande teknik för att analysera sammansättningen av föremål. En anmärkningsvärd aspekt av NIR-HSI är över-tusen-nanometer (OTN) spektroskopi, som kan användas för identifiering av organiska ämnen, deras koncentrationsuppskattning och skapande av 2D-kartor. Dessutom kan NIR-HSI användas för att få information djupt in i kroppen, vilket gör den användbar för visualisering av lesioner dolda i normala vävnader.

Olika typer av HSI-enheter har utvecklats för att passa olika avbildningsmål och situationer, till exempel för avbildning i mikroskop eller bärbar avbildning och avbildning i trånga utrymmen. Men för OTN-våglängder tappar vanliga kameror i känslighet och endast ett fåtal kommersiellt tillgängliga linser finns som kan korrigera kromatisk aberration. Dessutom är det nödvändigt att konstruera kameror, optiska system och belysningssystem för bärbara NRI-HSI-enheter, men ingen enhet som kan förvärva NIR-HSI med en stel räckvidd, avgörande för portabilitet, har ännu rapporterats.

Ett team av forskare, ledda av professor Hiroshi Takemura från Tokyo University of Science (TUS), har nyligen utvecklat världens första stela endoskopsystem som kan HSI från synliga till OTN-våglängder. Deras resultat publicerades i Optics Express i en artikel med titeln "Utveckling av ett synligt till 1600 nm hyperspektralt avbildningssystem med stela omfattningar med hjälp av superkontinuumljus och ett akustooptiskt avstämningsbart filter."

Kärnan i detta innovativa system ligger en supercontinuum (SC) ljuskälla och ett akustiskt opto tunable filter (AOTF) som kan avge specifika våglängder.

Prof. Takemura förklarar, "En SC-ljuskälla kan mata ut intensivt koherent vitt ljus, medan en AOTF kan extrahera ljus som innehåller en specifik våglängd. Denna kombination erbjuder enkel ljusöverföring till ljusledaren och möjligheten att elektriskt växla mellan ett brett spektrum av våglängder. inom en millisekund."

Teamet verifierade systemets optiska prestanda och klassificeringsförmåga och demonstrerade dess förmåga att utföra HSI i intervallet 490–1 600 nm, vilket möjliggör såväl synlig som NIR-HSI. Dessutom framhävde resultaten flera fördelar, såsom den låga ljusstyrkan hos extraherade våglängder, möjliggör icke-förstörande bildbehandling och nedskärningsförmåga. Dessutom kan ett mer kontinuerligt NIR-spektrum erhållas jämfört med konventionella enheter av rigid-scope-typ.

För att demonstrera deras systems förmåga använde forskarna det för att förvärva spektra av sex typer av hartser och använde ett neuralt nätverk för att klassificera spektra pixel för pixel i flera våglängder.

Resultaten avslöjade att när OTN-våglängdsområdet extraherades från HSI-data för träning kunde det neurala nätverket klassificera sju olika mål, inklusive de sex hartserna och en vit referens, med en noggrannhet på 99,6 %, reproducerbarhet på 93,7 % och specificitet på 99,1 %. Detta innebär att systemet framgångsrikt kan extrahera information om molekylär vibration för varje harts vid varje pixel.

Prof. Takemura och hans team identifierade också flera framtida forskningsinriktningar för att förbättra denna metod, inklusive förbättrad bildkvalitet och återkallande i det synliga området och förfining av utformningen av det stela endoskopet för att korrigera kromatiska aberrationer över ett brett område. Med dessa ytterligare framsteg, under de kommande åren, förväntas den föreslagna HSI-tekniken underlätta nya tillämpningar inom industriell inspektion och kvalitetskontroll, och fungera som ett verktyg för "övermänsklig vision" som låser upp nya sätt att uppfatta och förstå världen omkring oss.

"Detta genombrott, som kombinerar expertis från olika områden genom ett samarbete, tvärvetenskapligt tillvägagångssätt, möjliggör identifiering av invaderade cancerområden och visualisering av djupa vävnader som blodkärl, nerver och urinledare under medicinska procedurer, vilket leder till förbättrad kirurgisk navigering Dessutom möjliggör den mätning med hjälp av ljus som tidigare inte setts i industriella applikationer, vilket potentiellt skapar nya områden för icke-användning och oförstörande testning, säger Prof. Takemura.

"Genom att visualisera det osynliga strävar vi efter att påskynda utvecklingen av medicin och förbättra livskvaliteten för såväl läkare som patienter."

Mer information: Toshihiro Takamatsu et al, Utveckling av ett synligt till 1600 nm hyperspektralt avbildningssystem med rigid-scope som använder superkontinuumljus och ett akustooptiskt avstämbart filter, Optics Express (2024). DOI:10.1364/OE.515747

Journalinformation: Optics Express

Tillhandahålls av Tokyo University of Science