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丹麥研究者改進(jìn)中紅外成像 助力醫(yī)學(xué)診斷

MEMS ? 來源:YXQ ? 2019-06-03 15:10 ? 次閱讀

光子科學(xué)研究所(ICFO)與丹麥DTU Fotonik研究團(tuán)隊(duì)將中紅外成像信息轉(zhuǎn)換為近紅外成像信息,實(shí)現(xiàn)更快速計(jì)算機(jī)輔助活檢篩查。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,研究人員已開發(fā)出一種獨(dú)特的高分辨率成像方法,可以捕捉毫秒級(jí)快速事件或動(dòng)態(tài)過程的中紅外光譜圖像。由于該光譜范圍可揭示樣品的詳細(xì)化學(xué)成分,可被廣泛用于多種應(yīng)用。

目前常見的一種紅外成像方法是利用傅里葉變換紅外(FTIR)成像,但該方法需要低溫制冷型探測(cè)器以達(dá)到所需的性能水平,這就增加了操作的成本及復(fù)雜性?,F(xiàn)代激光源和新型探測(cè)器可改善這種情況,但是此類平臺(tái)仍然依賴中紅外信號(hào)的直接探測(cè)。

丹麥DTU Fotonik研究團(tuán)隊(duì)成員Peter Tidemand-Lichtenberg認(rèn)為:“這種新方法將來可能被用于醫(yī)學(xué)活檢的預(yù)篩選,以確定需要進(jìn)一步檢查的活檢。它還可以用于尋找癌癥和其他疾病的化學(xué)特征,從而提高診斷的準(zhǔn)確性和速度?!?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)在Optica期刊描述了新成像方法,Optica是美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)的高影響因子期刊。該研究團(tuán)隊(duì)還通過氣流成像和區(qū)分食道組織惡性腫瘤與正常樣本,來展示該技術(shù)的潛在應(yīng)用。

Tidemand-Lichtenberg解釋道:“盡管中紅外光譜被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的化學(xué)分析工具,但由于缺乏經(jīng)濟(jì)型光源和靈敏的探測(cè)器,其適用性受到了阻礙。為了克服這一障礙,我們使用了一種方法,將化學(xué)特征最明顯的中紅外區(qū)域的信息,轉(zhuǎn)化為如今相機(jī)技術(shù)最成熟且最靈敏的近紅外區(qū)域的信息?!?/p>

擴(kuò)展中紅外光譜的實(shí)用性

研究人員利用了一種被稱為非線性頻率轉(zhuǎn)換的過程,在此過程中,可使光子得到能量,以改變其波長(zhǎng),從而改變其顏色。盡管頻率轉(zhuǎn)換(即上轉(zhuǎn)換)常用來改變激光輸出的波長(zhǎng),但是利用DTU Fotonik研究人員開發(fā)的探測(cè)系統(tǒng),可將整個(gè)中紅外圖像轉(zhuǎn)換至近紅外波長(zhǎng)范圍,同時(shí)保留全部空間信息。

該系統(tǒng)使用了由光子科學(xué)研究所(ICFO)開發(fā)的新型中紅外光源,這種單波長(zhǎng)光源可調(diào)諧到不同波長(zhǎng),同時(shí)它還能利用變頻產(chǎn)生中紅外光。該系統(tǒng)可提供20皮秒脈沖,而鈮酸鋰晶體作為實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換過程的非線性介質(zhì),可將中紅外成像信號(hào)轉(zhuǎn)換到近紅外范圍。采用標(biāo)準(zhǔn)CCD相機(jī)即可完成圖像采集。

非線性介質(zhì)的性質(zhì)通常限制了利用上轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角(FoV),但研究團(tuán)隊(duì)通過使用振鏡掃描旋轉(zhuǎn)晶體的方法解決了這一問題,這是一種眾所周知的方法,允許在目標(biāo)平面上的同心圓分別有效地完成上轉(zhuǎn)換。

即便是很小的旋轉(zhuǎn)也會(huì)對(duì)視場(chǎng)角(FoV)產(chǎn)生很大的影響,該研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整晶體的旋轉(zhuǎn)時(shí)間來匹配相機(jī)的積分時(shí)間,這樣就無需圖像的后處理,從而進(jìn)一步改善了這種影響。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),與靜態(tài)設(shè)計(jì)相比,視場(chǎng)角(FoV)提高到原來的5倍,相對(duì)應(yīng)空間可解析元素?cái)?shù)量提高到原來的25倍。

Tidemand-Lichtenberg解釋道:“這種方法可以產(chǎn)生完全同步的峰值功率脈沖,無需對(duì)脈沖進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)序控制,從而獲得具有良好信噪比的圖像。此外,我們的光學(xué)裝置采用捕獲圖像后幾乎無需后處理的設(shè)計(jì)?!?/p>

事實(shí)上,研究人員用相同的脈沖近紅外激光完成了兩項(xiàng)試驗(yàn):產(chǎn)生可調(diào)諧中紅外光 & 實(shí)現(xiàn)圖像上轉(zhuǎn)換。

實(shí)現(xiàn)快速事件及復(fù)雜樣本的成像

研究人員通過調(diào)整照明激光來匹配氣流的峰值吸收,并捕獲每秒40張圖像的視頻,從而展示了其新型中紅外上轉(zhuǎn)換光譜方法的成像速度。

在一項(xiàng)由??巳卮髮W(xué)(Exeter University)團(tuán)隊(duì)成員主導(dǎo)的試驗(yàn)性研究中,該系統(tǒng)被用于評(píng)估食管組織癌變和健康的樣本。結(jié)果發(fā)現(xiàn),使用該系統(tǒng)進(jìn)行的形態(tài)學(xué)和光譜分類與標(biāo)準(zhǔn)的染色組織病理學(xué)圖像匹配良好(即準(zhǔn)確性較高)。

頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)癌癥信號(hào)成像

Tidemand-Lichtenberg說:“我們的上轉(zhuǎn)換成像方法是通用的,且在實(shí)現(xiàn)視頻幀速率、中紅外單色成像方面做出了重要簡(jiǎn)化。這項(xiàng)技術(shù)所提供的光譜信息可與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合,以便在無需染色的情況下,根據(jù)化學(xué)特征進(jìn)行更快速、更客觀的醫(yī)學(xué)診斷。”

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原文標(biāo)題:丹麥研究者改進(jìn)中紅外成像,助力醫(yī)學(xué)診斷

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