Las imágenes hiperespectrales (HSI) son una técnica de última generación que captura y procesa información en un espectro electromagnético determinado. A diferencia de las técnicas de imágenes tradicionales que capturan la intensidad de la luz en longitudes de onda específicas, HSI recopila un espectro completo en cada píxel de una imagen. Estos ricos datos espectrales permiten distinguir entre diferentes materiales y sustancias en función de sus firmas espectrales únicas. Las imágenes hiperespectrales en el infrarrojo cercano (NIR-HSI) han atraído una gran atención en los campos alimentario e industrial como técnica no destructiva para analizar la composición de objetos. Un aspecto notable de NIR-HSI es la espectroscopía de más de mil nanómetros (OTN), que se puede utilizar para la identificación de sustancias orgánicas, la estimación de su concentración y la creación de mapas 2D. Además, NIR-HSI se puede utilizar para adquirir información en lo profundo del cuerpo, lo que lo hace útil para la visualización de lesiones ocultas en tejidos normales.
Se han desarrollado varios tipos de dispositivos HSI para adaptarse a diferentes objetivos y situaciones de obtención de imágenes, como imágenes bajo un microscopio o imágenes portátiles e imágenes en espacios reducidos. Sin embargo, para las longitudes de onda OTN, las cámaras visibles ordinarias pierden sensibilidad y sólo existen unas pocas lentes disponibles comercialmente que pueden corregir la aberración cromática. Además, es necesario construir cámaras, sistemas ópticos y sistemas de iluminación para dispositivos NRI-HSI portátiles, pero todavía no se ha informado de ningún dispositivo que pueda adquirir NIR-HSI con un alcance rígido, crucial para la portabilidad.
Ahora, en un nuevo estudio, un equipo de investigadores, dirigido por el profesor Hiroshi Takemura de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) y que incluye a Toshihiro Takamatsu, Ryodai Fukushima, Kounosuke Sato, Masakazu Umezawa y Kohei Soga, todos de TUS, Hideo Yokota de RIKEN, Abian Hernandez Guedes y Gustavo M. Calico, ambos de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, han desarrollado recientemente el primer sistema de endoscopio rígido del mundo capaz de realizar HSI desde longitudes de onda visibles hasta OTN. Sus hallazgos fueron publicado en el Volumen 32, Número 9 de Optics Express el 17 de abril de 2024.
En el núcleo de este innovador sistema se encuentra una fuente de luz supercontinua (SC) y un filtro acústico-opto sintonizable (AOTF) que puede emitir longitudes de onda específicas. El profesor Takemura explica: “AUna fuente de luz SC puede emitir luz blanca intensa y coherente, mientras que un AOTF puede extraer luz que contiene una longitud de onda específica. Esta combinación ofrece una fácil transmisión de luz a la guía de luz y la capacidad de cambiar eléctricamente entre una amplia gama de longitudes de onda en un milisegundo”.
El equipo verificó el rendimiento óptico y la capacidad de clasificación del sistema, demostrando su capacidad para realizar HSI en el rango de 490 a 1600 nm, lo que permite tanto visible como NIR-HSI. Además, los resultados destacaron varias ventajas, como la baja potencia lumínica de las longitudes de onda extraídas, lo que permite obtener imágenes no destructivas y la capacidad de reducción de tamaño. Además, se puede obtener un espectro NIR más continuo en comparación con el de los dispositivos convencionales de tipo visor rígido.
Para demostrar la capacidad de su sistema, los investigadores lo utilizaron para adquirir los espectros de seis tipos de resinas y emplearon una red neuronal para clasificar los espectros píxel por píxel en múltiples longitudes de onda. Los resultados revelaron que cuando se extrajo el rango de longitud de onda OTN de los datos de HSI para el entrenamiento, la red neuronal pudo clasificar siete objetivos diferentes, incluidas las seis resinas y una referencia blanca, con una precisión del 99,6 %, una reproducibilidad del 93,7 % y una especificidad. del 99,1%. Esto significa que el sistema puede extraer con éxito información de vibración molecular de cada resina en cada píxel.
El profesor Takemura y su equipo también identificaron varias direcciones de investigación futuras para mejorar este método, incluida la mejora de la calidad y la recuperación de la imagen en la región visible y el perfeccionamiento del diseño del endoscopio rígido para corregir las aberraciones cromáticas en un área amplia. Con estos avances adicionales, en los próximos años, se espera que la tecnología HSI propuesta facilite nuevas aplicaciones en inspección industrial y control de calidad, funcionando como una herramienta de “visión sobrehumana” que desbloquea nuevas formas de percibir y comprender el mundo que nos rodea.
“Este avance, que combina experiencia de diferentes campos a través de un enfoque colaborativo e interdisciplinario, permite la identificación de áreas cancerosas invadidas y la visualización de tejidos profundos como vasos sanguíneos, nervios y uréteres durante los procedimientos médicos, lo que conduce a una mejor navegación quirúrgica. Además, permite la medición utilizando luz nunca antes vista en aplicaciones industriales, creando potencialmente nuevas áreas de no uso y pruebas no destructivas”. comenta el profesor Takemura. “Al visualizar lo invisible, pretendemos acelerar el desarrollo de la medicina y mejorar la calidad de vida de los médicos y de los pacientes.“
Fuente:
Universidad de Ciencias de Tokio
Referencia de la revista:
Takamatsu, T., et al. (2024). Desarrollo de un sistema de telescopio rígido de imágenes hiperespectrales visibles y de más de 1000 nm utilizando luz supercontinua y un filtro sintonizable acústico-óptico. Óptica Express. doi.org/10.1364/oe.515747.
2024-04-29 19:08:00
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