Ny tilgang fanger detaljerede melleminfrarøde billeder til medicinsk diagnostik

Forskere har udviklet en unik billedbehandlingsmetode i høj opløsning, der kan fange mellem-infrarøde spektrale billeder af hurtige begivenheder eller dynamiske processer, der finder sted i størrelsesordenen millisekunder. Dette spektrale område bruges til mange applikationer, fordi det kan afsløre den detaljerede kemiske sammensætning af en prøve.

"Denne nye tilgang kunne en dag bruges til at forprogrammere medicinske biopsier for at identificere dem, der skal undersøges nærmere, "sagde Peter Tidemand-Lichtenberg, medlem af forskergruppen fra DTU Fotonik i Danmark. "Det kunne bruges til at lede efter de kemiske signaturer af kræft og andre sygdomme på måder, der ville øge nøjagtigheden og hastigheden af ​​diagnoser."

En multiinstitutionel forskergruppe beskriver den nye billeddannelsesmetode i Optica , The Optical Society's (OSA) tidsskrift for forskning med stor indflydelse. De demonstrerer også nogle af teknikkens potentielle anvendelser ved at afbilde en gasstrøm og skelne kræftfremkaldende og normale prøver af spiserørvæv.

"Selvom mid-infrarød spektroskopi anerkendes som et kraftfuldt værktøj til kemisk analyse, dets anvendelighed er blevet hæmmet af mangel på overkommelige lyskilder og følsomme detektorer, "sagde Tidemand-Lichtenberg." For at overvinde denne barriere, vi brugte en fremgangsmåde, der oversætter oplysninger fra det mellem-infrarøde område, hvor de kemiske signaturer er mest tydelige, til den nær-infrarøde, hvor nutidens kamerateknologi er mest moden og følsom. "

Praktisk mellem-infrarød spektroskopi

Forskerne trak på en proces kendt som ikke -lineær frekvenskonvertering, hvor energi tilsættes til en foton for at ændre dens bølgelængde, og derfor dens farve. Selvom frekvenskonvertering, eller opkonvertering, bruges ofte til at ændre bølgelængden af ​​en lasers output, forskerne fra DTU Fotonik udviklede et detektionssystem, der kunne flytte et helt mid-IR-billede til det nær-infrarøde bølgelængdeområde og samtidig bevare al den rumlige information.

Systemet indeholder en ny mid-infrarød lyskilde udviklet af samarbejdspartnere fra The Institute of Photonic Sciences (ICFO). Denne enkeltbølgelængde lyskilde kan indstilles til forskellige bølgelængder, og den bruger også frekvenskonvertering til at generere det melleminfrarøde lys. Faktisk, forskerne brugte den samme pulserende nær-infrarøde laser til to ting:at generere det afstemmelige mellem-IR-lys og for at opnå billedkonvertering.

"Denne fremgangsmåde giver pulser med høj spidseffekt i perfekt synkronisme, eliminerer behovet for sofistikeret tidsmæssig kontrol af impulserne, fører til billeder med et godt signal-til-støj-forhold, "forklarede Tidemand-Lichtenberg." Desuden blev vores optiske opsætning er designet på en måde, der kræver meget lidt efterbehandling, efter at billederne er erhvervet. "

Imaging hurtige begivenheder og komplekse prøver

Forskerne demonstrerede billeddannelseshastigheden for deres nye mid-infrarøde opkonverteringsspektroskopi-tilgang ved at indstille belysningslaseren til at matche maksimal absorption af en gasstrøm og optage en video med 40 billeder pr. Sekund.

De gennemførte også en pilotundersøgelse, ledet af teammedlemmerne fra Exeter University, hvor systemet blev brugt til at evaluere kræftfremkaldende og sunde esophageal vævsprøver. De fandt ud af, at morfologi og spektral klassificering ved hjælp af deres system matchede godt med de standardfarvede histopatologiske billeder.

"Vores opkonversionsbilleddannelsesmetode er generisk og udgør en stor forenkling i realiseringen af ​​video-frame-rate, mid-infrarød monokromatisk billeddannelse, "sagde Tidemand-Lichtenberg.

"De spektrale oplysninger fra denne teknik kunne kombineres med maskinlæring for at muliggøre hurtigere, og muligvis mere objektiv medicinsk diagnostik baseret på kemiske signaturer uden behov for farvning. "