世界上第一个用于医疗过程中高光谱成像的刚性内窥镜系统

高光谱成像 (HSI) 是一种最先进的技术，可以捕获和处理给定电磁频谱的信息。 与捕获特定波长光强度的传统成像技术不同，HSI 收集图像中每个像素的全光谱。 这些丰富的光谱数据可以根据其独特的光谱特征来区分不同的材料和物质。 近红外高光谱成像（NIR-HSI）作为一种分析物体成分的无损技术，在食品和工业领域引起了极大的关注。 NIR-HSI 的一个值得注意的方面是超千纳米 (OTN) 光谱，可用于有机物质的识别、浓度估计和 2D 图创建。 此外，NIR-HSI 可用于获取身体深处的信息，使其可用于隐藏在正常组织中的病变的可视化。

人们已经开发出各种类型的 HSI 设备来适应不同的成像目标和情况，例如用于显微镜下成像或便携式成像以及密闭空间内成像。 然而，对于 OTN 波长，普通可见光相机会失去灵敏度，并且只有少数商用镜头可以校正色差。 此外，有必要为便携式NRI-HSI设备构建相机、光学系统和照明系统，但目前还没有报道能够通过刚性范围采集NIR-HSI的设备，这对便携性至关重要。

现在，在一项新的研究中，由东京理科大学 (TUS) 的 Hiroshi Takemura 教授领导的研究小组包括来自 TUS 的 Toshihiro Takamatsu、Ryodai Fukushima、Kounosuke Sato、Masakazu Umezawa 和 Kohei Soga，以及来自 TUS 的 Hideo Yokota RIKEN 以及来自大加那利岛拉斯帕尔马斯大学的 Abian Hernandez Guedes 和 Gustavo M. Calico 最近开发了世界上第一个能够进行从可见光到 OTN 波长的 HSI 的刚性内窥镜系统。 他们的发现是 发表于2024年4月17日《Optics Express》第32卷第9期。

该创新系统的核心是超连续谱 (SC) 光源和可发射特定波长的声光可调滤波器 (AOTF)。 竹村教授解释说：“ASC 光源可以输出强烈的相干白光，而 AOTF 可以提取包含特定波长的光。 这种组合使光能够轻松传输到光导，并能够在一毫秒内在多种波长之间进行电气切换。”

该团队验证了系统的光学性能和分类能力，展示了其在 490-1600 nm 范围内执行 HSI 的能力，支持可见光和 NIR-HSI。 此外，结果还突出了几个优点，例如提取波长的光功率低、实现无损成像以及缩小尺寸的能力。 此外，与传统的硬镜型设备相比，可以获得更连续的近红外光谱。

为了证明他们的系统的功能，研究人员使用它来获取六种树脂的光谱，并使用神经网络对多个波长下的光谱进行逐像素分类。 结果显示，当从 HSI 数据中提取 OTN 波长范围进行训练时，神经网络可以对 7 个不同的目标进行分类，包括六种树脂和一个白色参考，准确度为 99.6%，再现性为 93.7%，特异性强99.1%。 这意味着系统可以成功提取每种树脂在每个像素处的分子振动信息。

Takemura教授和他的团队还确定了改进该方法的几个未来研究方向，包括增强可见光区域的图像质量和召回率，以及改进刚性内窥镜的设计以校正大范围的色差。 随着这些进一步的进步，在未来几年中，拟议的 HSI 技术预计将促进工业检测和质量控制中的新应用，作为“超人视觉”工具，开启感知和理解我们周围世界的新方式。