Wetenschap
Nieuwe technologie maakt beeldvorming van diep weefsel tijdens operaties mogelijk
Hyperspectrale beeldvorming (HSI) is een geavanceerde techniek die informatie over een bepaald elektromagnetisch spectrum vastlegt en verwerkt. In tegenstelling tot traditionele beeldvormingstechnieken die de lichtintensiteit op specifieke golflengten vastleggen, verzamelt HSI een volledig spectrum bij elke pixel in een afbeelding. Deze rijke spectrale gegevens maken het mogelijk onderscheid te maken tussen verschillende materialen en stoffen op basis van hun unieke spectrale kenmerken.
Nabij-infrarood hyperspectrale beeldvorming (NIR-HSI) heeft veel aandacht getrokken in de voedings- en industriële sector als een niet-destructieve techniek voor het analyseren van de samenstelling van objecten. Een opmerkelijk aspect van NIR-HSI is de meer dan duizend nanometer (OTN) spectroscopie, die kan worden gebruikt voor de identificatie van organische stoffen, hun concentratieschatting en het maken van 2D-kaarten. Bovendien kan NIR-HSI worden gebruikt om informatie diep in het lichaam te verkrijgen, waardoor het nuttig wordt voor de visualisatie van laesies die verborgen zijn in normale weefsels.
Er zijn verschillende soorten HSI-apparaten ontwikkeld voor verschillende beeldvormingsdoelen en -situaties, zoals voor beeldvorming onder een microscoop of draagbare beeldvorming en beeldvorming in besloten ruimtes. Voor OTN-golflengten verliezen gewone zichtbare camera's echter gevoeligheid en bestaan er slechts een paar in de handel verkrijgbare lenzen die chromatische aberratie kunnen corrigeren. Bovendien is het noodzakelijk om camera's, optische systemen en verlichtingssystemen te bouwen voor draagbare NRI-HSI-apparaten, maar er is nog geen apparaat gerapporteerd dat NIR-HSI kan verwerven met een rigide bereik, cruciaal voor draagbaarheid.
Een team van onderzoekers, onder leiding van professor Hiroshi Takemura van de Tokyo University of Science (TUS), heeft onlangs 's werelds eerste rigide endoscoopsysteem ontwikkeld dat in staat is tot HSI van zichtbare tot OTN-golflengten. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Optics Express in een artikel met de titel:"Ontwikkeling van een zichtbaar tot 1600 nm hyperspectraal beeldvormend rigid-scope-systeem met behulp van supercontinuumlicht en een akoestisch-optisch afstembaar filter."
De kern van dit innovatieve systeem wordt gevormd door een supercontinuumlichtbron (SC) en een akoestisch-opto-afstembaar filter (AOTF) dat specifieke golflengten kan uitzenden.
Prof. Takemura legt uit:"Een SC-lichtbron kan intens coherent wit licht produceren, terwijl een AOTF licht kan extraheren dat een specifieke golflengte bevat. Deze combinatie biedt gemakkelijke lichttransmissie naar de lichtgeleider en de mogelijkheid om elektrisch te schakelen tussen een breed scala aan golflengten binnen een milliseconde."
Het team verifieerde de optische prestaties en het classificatievermogen van het systeem, waarmee het vermogen werd aangetoond om HSI uit te voeren in het bereik van 490–1.600 nm, waardoor zowel zichtbare als NIR-HSI mogelijk is. Bovendien brachten de resultaten verschillende voordelen naar voren, zoals het lage lichtvermogen van de geëxtraheerde golflengten, waardoor niet-destructieve beeldvorming mogelijk is, en de mogelijkheid tot inkrimping. Bovendien kan een meer continu NIR-spectrum worden verkregen vergeleken met dat van conventionele apparaten van het rigid-scope-type.
Om de capaciteiten van hun systeem aan te tonen, gebruikten de onderzoekers het om de spectra van zes soorten harsen te verzamelen en gebruikten ze een neuraal netwerk om de spectra pixel voor pixel in meerdere golflengten te classificeren.
Uit de resultaten bleek dat wanneer het OTN-golflengtebereik werd geëxtraheerd uit de HSI-gegevens voor training, het neurale netwerk zeven verschillende doelen kon classificeren, waaronder de zes harsen en een witte referentie, met een nauwkeurigheid van 99,6%, reproduceerbaarheid van 93,7% en specificiteit. van 99,1%. Dit betekent dat het systeem met succes moleculaire trillingsinformatie van elke hars op elke pixel kan extraheren.
Prof. Takemura en zijn team identificeerden ook verschillende toekomstige onderzoeksrichtingen om deze methode te verbeteren, waaronder het verbeteren van de beeldkwaliteit en herinnering in het zichtbare gebied en het verfijnen van het ontwerp van de stijve endoscoop om chromatische aberraties over een groot gebied te corrigeren. Met deze verdere ontwikkelingen wordt verwacht dat de voorgestelde HSI-technologie de komende jaren nieuwe toepassingen in industriële inspectie en kwaliteitscontrole zal vergemakkelijken, en zal werken als een 'bovenmenselijke visie'-tool die nieuwe manieren ontsluit om de wereld om ons heen waar te nemen en te begrijpen.
P>"Deze doorbraak, die expertise uit verschillende vakgebieden combineert door middel van een collaboratieve, interdisciplinaire aanpak, maakt de identificatie mogelijk van binnengevallen kankergebieden en de visualisatie van diepe weefsels zoals bloedvaten, zenuwen en urineleiders tijdens medische procedures, wat leidt tot verbeterde chirurgische navigatie Bovendien maakt het metingen mogelijk met behulp van licht dat voorheen onzichtbaar was in industriële toepassingen, waardoor mogelijk nieuwe gebieden van niet-gebruiks- en niet-destructieve tests ontstaan", aldus prof. Takemura.
"Door het onzichtbare te visualiseren, willen we de ontwikkeling van medicijnen versnellen en de levenskwaliteit van zowel artsen als patiënten verbeteren."