Ny teknologi muliggør dyb vævsbilleddannelse under operation

Hyperspektral billeddannelse (HSI) er en state-of-the-art teknik, der fanger og behandler information på tværs af et givet elektromagnetisk spektrum. I modsætning til traditionelle billedbehandlingsteknikker, der fanger lysintensitet ved specifikke bølgelængder, opsamler HSI et fuldt spektrum ved hver pixel i et billede. Disse rige spektrale data gør det muligt at skelne mellem forskellige materialer og stoffer baseret på deres unikke spektrale signaturer.

Nær-infrarød hyperspektral billeddannelse (NIR-HSI) har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på fødevare- og industriområdet som en ikke-destruktiv teknik til at analysere sammensætningen af ​​objekter. Et bemærkelsesværdigt aspekt af NIR-HSI er over-tusind-nanometer (OTN) spektroskopi, som kan bruges til identifikation af organiske stoffer, deres koncentrationsberegning og 2D-kortoprettelse. Derudover kan NIR-HSI bruges til at indhente information dybt ind i kroppen, hvilket gør den nyttig til visualisering af læsioner skjult i normalt væv.

Forskellige typer HSI-enheder er blevet udviklet til at passe til forskellige billeddannelsesmål og -situationer, såsom til billeddannelse under et mikroskop eller bærbar billeddannelse og billeddannelse i trange rum. Men for OTN-bølgelængder mister almindelige synlige kameraer følsomhed, og der findes kun få kommercielt tilgængelige linser, der kan korrigere kromatisk aberration. Desuden er det nødvendigt at konstruere kameraer, optiske systemer og belysningssystemer til bærbare NRI-HSI-enheder, men der er endnu ikke rapporteret nogen enhed, der kan tilegne sig NIR-HSI med et stift omfang, der er afgørende for portabilitet.

Et team af forskere, ledet af professor Hiroshi Takemura fra Tokyo University of Science (TUS), har for nylig udviklet verdens første stive endoskopsystem, der er i stand til HSI fra synlige til OTN-bølgelængder. Deres resultater blev offentliggjort i Optics Express i et papir med titlen "Udvikling af et synligt til 1600 nm hyperspektralt billeddannelsessystem med stivt omfang ved hjælp af superkontinuum lys og et akusto-optisk afstembart filter."

Kernen i dette innovative system ligger en supercontinuum (SC) lyskilde og et akustisk opto tunable filter (AOTF), der kan udsende specifikke bølgelængder.

Prof. Takemura forklarer, "En SC-lyskilde kan udsende intenst kohærent hvidt lys, hvorimod en AOTF kan udvinde lys, der indeholder en specifik bølgelængde. Denne kombination giver nem lystransmission til lyslederen og evnen til elektrisk at skifte mellem en bred vifte af bølgelængder. inden for et millisekund."

Holdet verificerede systemets optiske ydeevne og klassificeringsevne og demonstrerede dets evne til at udføre HSI i området 490-1.600 nm, hvilket muliggør synlig såvel som NIR-HSI. Derudover fremhævede resultaterne adskillige fordele, såsom den lave lysstyrke af ekstraherede bølgelængder, muliggør ikke-destruktiv billeddannelse og nedskæringsevne. Desuden kan et mere kontinuerligt NIR-spektrum opnås sammenlignet med konventionelle enheder af stivt omfang.

For at demonstrere deres systems kapacitet brugte forskerne det til at erhverve spektrene af seks typer harpikser og brugte et neuralt netværk til at klassificere spektret pixel-for-pixel i flere bølgelængder.

Resultaterne afslørede, at når OTN-bølgelængdeområdet blev udtrukket fra HSI-dataene til træning, kunne det neurale netværk klassificere syv forskellige mål, inklusive de seks harpikser og en hvid reference, med en nøjagtighed på 99,6 %, reproducerbarhed på 93,7 % og specificitet på 99,1 %. Dette betyder, at systemet med succes kan udtrække information om molekylær vibration for hver harpiks ved hver pixel.

Prof. Takemura og hans team identificerede også adskillige fremtidige forskningsretninger for at forbedre denne metode, herunder forbedring af billedkvalitet og genkaldelse i det synlige område og forfining af designet af det stive endoskop for at korrigere kromatiske aberrationer over et bredt område. Med disse yderligere fremskridt forventes den foreslåede HSI-teknologi i de kommende år at lette nye anvendelser inden for industriel inspektion og kvalitetskontrol, idet den fungerer som et "overmenneskeligt syn"-værktøj, der åbner op for nye måder at opfatte og forstå verden omkring os på.

"Dette gennembrud, som kombinerer ekspertise fra forskellige områder gennem en samarbejdende, tværfaglig tilgang, muliggør identifikation af invaderede kræftområder og visualisering af dybe væv såsom blodkar, nerver og urinledere under medicinske procedurer, hvilket fører til forbedret kirurgisk navigation Derudover muliggør den måling ved hjælp af lys, som tidligere ikke har været set i industrielle applikationer, hvilket potentielt skaber nye områder med ikke-brug og ikke-destruktiv test," sagde prof. Takemura.

"Ved at visualisere det usynlige sigter vi mod at accelerere udviklingen af ​​medicin og forbedre livskvaliteten for læger såvel som patienter."

Flere oplysninger: Toshihiro Takamatsu et al., Udvikling af et synligt til 1600 nm hyperspektralt billeddannelsessystem med stivt omfang ved hjælp af superkontinuum lys og et akusto-optisk afstembart filter, Optics Express (2024). DOI:10.1364/OE.515747

Journaloplysninger: Optics Express

Leveret af Tokyo University of Science