Onderzoekers hebben een unieke beeldvormingsmethode met hoge resolutie ontwikkeld die mid-infrarood spectrale beelden kan vastleggen van snelle gebeurtenissen of dynamische processen die plaatsvinden in de orde van milliseconden. Dit spectrale bereik wordt voor veel toepassingen gebruikt omdat het de gedetailleerde chemische samenstelling van een monster kan onthullen.

"Deze nieuwe benadering zou op een dag kunnen worden gebruikt om medische biopsieën vooraf te screenen om degenen te identificeren die nader moeten worden onderzocht, " zei Peter Tidemand-Lichtenberg, een lid van het onderzoeksteam van DTU Fotonik in Denemarken. "Het zou kunnen worden gebruikt om naar de chemische kenmerken van kanker en andere ziekten te zoeken op manieren die de nauwkeurigheid en snelheid van diagnoses zouden vergroten."

Een multi-institutionele groep onderzoekers beschrijft de nieuwe beeldvormingsbenadering in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society (OSA) voor high-impact onderzoek. Ze demonstreren ook enkele van de mogelijke toepassingen van de techniek door een gasstroom in beeld te brengen en kankerachtige en normale monsters van slokdarmweefsel te onderscheiden.

"Hoewel mid-infrarood spectroscopie wordt erkend als een krachtig hulpmiddel voor chemische analyse, de toepasbaarheid ervan werd belemmerd door een gebrek aan betaalbare lichtbronnen en gevoelige detectoren, " zei Tidemand-Lichtenberg. "Om deze barrière te overwinnen, we gebruikten een aanpak die informatie uit het midden-infraroodgebied vertaalt, waar de chemische handtekeningen het duidelijkst zijn, naar het nabij-infrarood, waar de huidige cameratechnologie het meest volwassen en gevoelig is."

Praktische midden-infrarood spectroscopie

De onderzoekers maakten gebruik van een proces dat bekend staat als niet-lineaire frequentieconversie, waarbij energie wordt toegevoegd aan een foton om de golflengte ervan te veranderen. en vandaar de kleur. Hoewel frequentieconversie, of upconversie, wordt vaak gebruikt om de golflengte van de output van een laser te veranderen, de onderzoekers van DTU Fotonik ontwikkelden een detectiesysteem dat een volledig mid-IR-beeld kon verschuiven naar het nabij-infrarode golflengtebereik met behoud van alle ruimtelijke informatie.

Het systeem bevat een nieuwe midden-infrarood lichtbron die is ontwikkeld door medewerkers van The Institute of Photonic Sciences (ICFO). Deze lichtbron met één golflengte kan worden afgestemd op verschillende golflengten en gebruikt ook frequentieconversie om het midden-infraroodlicht te genereren. In feite, de onderzoekers gebruikten dezelfde gepulseerde nabij-infraroodlaser voor twee dingen:om het afstembare mid-IR-licht te genereren en om de beeldconversie te bereiken.

"Deze aanpak levert hoge piekvermogenpulsen op die perfect synchroon lopen, het elimineren van de noodzaak voor geavanceerde temporele controle van de pulsen, wat leidt tot beelden met een goede signaal-ruisverhouding, " legde Tidemand-Lichtenberg uit. "Bovendien, onze optische opstelling is zo ontworpen dat er zeer weinig nabewerking nodig is nadat de beelden zijn verkregen."

Snelle gebeurtenissen en complexe voorbeelden in beeld brengen

De onderzoekers demonstreerden de beeldsnelheid van hun nieuwe mid-infrared upconversion spectroscopie-aanpak door de verlichtingslaser af te stemmen op de piekabsorptie van een gasstroom en een video te maken met 40 beelden per seconde.

Ze voerden ook een pilotstudie uit, onder leiding van de teamleden van Exeter University, waarin het systeem werd gebruikt om kankerachtige en gezonde slokdarmweefselmonsters te evalueren. Ze ontdekten dat morfologie en spectrale classificatie met behulp van hun systeem goed overeenkwamen met de standaard gekleurde histopathologische beelden.

"Onze benadering van upconversion-beeldvorming is generiek en vormt een belangrijke vereenvoudiging bij het realiseren van videoframesnelheid, mid-infrarood monochromatische beeldvorming, " zei Tidemand-Lichtenberg.

"De spectrale informatie die door deze techniek wordt geleverd, kan worden gecombineerd met machine learning om snellere, en mogelijk objectiever, medische diagnostiek op basis van chemische handtekeningen zonder de noodzaak van kleuring."