تصویربرداری فراطیفی (HSI) یک تکنیک پیشرفته است که اطلاعات را در یک طیف الکترومغناطیسی معین ضبط و پردازش می کند. برخلاف تکنیک‌های تصویربرداری سنتی که شدت نور را در طول موج‌های خاص ثبت می‌کنند، HSI طیف کاملی را در هر پیکسل در یک تصویر جمع‌آوری می‌کند. این داده‌های طیفی غنی، تمایز بین مواد و مواد مختلف را بر اساس نشانه‌های طیفی منحصربه‌فردشان ممکن می‌سازد. تصویربرداری فراطیفی مادون قرمز نزدیک (NIR-HSI) توجه قابل توجهی را در زمینه های غذایی و صنعتی به عنوان یک تکنیک غیر مخرب برای تجزیه و تحلیل ترکیب اجسام به خود جلب کرده است. یکی از جنبه های قابل توجه NIR-HSI، طیف سنجی بیش از هزار نانومتری (OTN) است که می تواند برای شناسایی مواد آلی، تخمین غلظت آنها و ایجاد نقشه دوبعدی استفاده شود. علاوه بر این، NIR-HSI می تواند برای به دست آوردن اطلاعات عمیق در بدن مورد استفاده قرار گیرد و برای تجسم ضایعات پنهان در بافت های طبیعی مفید است.

انواع مختلفی از دستگاه‌های HSI برای تطابق با اهداف و موقعیت‌های مختلف تصویربرداری، مانند تصویربرداری زیر میکروسکوپ یا تصویربرداری و تصویربرداری قابل حمل در فضاهای محدود، توسعه یافته‌اند. با این حال، برای طول موج‌های OTN، دوربین‌های مرئی معمولی حساسیت خود را از دست می‌دهند و تنها تعداد کمی از لنزهای تجاری موجود هستند که می‌توانند انحراف رنگی را اصلاح کنند. علاوه بر این، ساخت دوربین‌ها، سیستم‌های نوری و سیستم‌های روشنایی برای دستگاه‌های قابل حمل NRI-HSI ضروری است، اما هنوز هیچ دستگاهی که بتواند NIR-HSI را با محدوده سختی که برای قابل حمل بودن حیاتی است، بدست آورد، گزارش نشده است.

اکنون، در یک مطالعه جدید، تیمی از محققان به رهبری پروفسور هیروشی تاکمورا از دانشگاه علوم توکیو (TUS) و شامل توشیهیرو تاکاماتسو، ریودای فوکوشیما، کونوسوکه ساتو، ماساکازو اومزاوا و کوهی سوگا، همه از TUS، هیدئو یوکوتا از RIKEN، و Abian Hernandez Guedes و Gustavo M. Calico، هر دو از دانشگاه لاس پالماس د گرن کاناریا، به تازگی اولین سیستم آندوسکوپی سفت و سخت در جهان را توسعه داده اند که قادر به HSI از طول موج های مرئی تا OTN است. یافته های آنها بود منتشر شده در جلد 32، شماره 9 Optics Express در 17 آوریل 2024.

در هسته این سیستم نوآورانه یک منبع نوری ابرپیوسته (SC) و یک فیلتر قابل تنظیم صوتی (AOTF) قرار دارد که می تواند طول موج های خاصی را منتشر کند. پروفسور تاکمورا توضیح می دهد:آمنبع نور SC می تواند نور سفید منسجم شدیدی را تولید کند، در حالی که یک AOTF می تواند نور حاوی طول موج خاصی را استخراج کند. این ترکیب انتقال آسان نور را به راهنمای نور و توانایی سوئیچ الکتریکی بین طیف گسترده ای از طول موج ها در یک میلی ثانیه را ارائه می دهد.

این تیم عملکرد نوری و توانایی طبقه‌بندی سیستم را تأیید کرد و توانایی آن را برای انجام HSI در محدوده 490 تا 1600 نانومتر نشان داد، و همچنین NIR-HSI قابل مشاهده است. علاوه بر این، نتایج چندین مزیت از جمله قدرت نور کم طول موج‌های استخراج‌شده، امکان تصویربرداری غیر مخرب و قابلیت کوچک‌سازی را نشان داد. علاوه بر این، طیف NIR پیوسته‌تری را می‌توان در مقایسه با دستگاه‌های معمولی با دامنه صلب به دست آورد.

محققان برای نشان دادن توانایی سیستم خود، از آن برای به دست آوردن طیف شش نوع رزین استفاده کردند و از یک شبکه عصبی برای طبقه بندی طیف پیکسل به پیکسل در طول موج های چندگانه استفاده کردند. نتایج نشان داد که وقتی محدوده طول موج OTN از داده‌های HSI برای آموزش استخراج شد، شبکه عصبی می‌تواند هفت هدف مختلف از جمله شش رزین و یک مرجع سفید را با دقت 99.6 درصد، تکرارپذیری 93.7 درصد و ویژگی طبقه‌بندی کند. از 99.1٪. این بدان معنی است که سیستم می تواند با موفقیت اطلاعات ارتعاش مولکولی هر رزین را در هر پیکسل استخراج کند.

پروفسور تاکمورا و تیم او همچنین چندین جهت تحقیقاتی آینده را برای بهبود این روش شناسایی کردند، از جمله افزایش کیفیت تصویر و یادآوری در ناحیه مرئی و اصلاح طراحی آندوسکوپ صلب برای اصلاح انحرافات رنگی در یک منطقه وسیع. با این پیشرفت‌های بیشتر، در سال‌های آینده، انتظار می‌رود فناوری HSI پیشنهادی، کاربردهای جدید در بازرسی صنعتی و کنترل کیفیت را تسهیل کند و به عنوان ابزاری «دید فوق‌انسانی» عمل کند که راه‌های جدیدی را برای درک و درک دنیای اطراف ما باز می‌کند.

“این پیشرفت، که ترکیبی از تخصص در زمینه‌های مختلف از طریق یک رویکرد مشترک و متقابل رشته‌ای است، شناسایی نواحی سرطانی مورد حمله و تجسم بافت‌های عمیق مانند عروق خونی، اعصاب و حالب را در طول اقدامات پزشکی امکان‌پذیر می‌سازد که منجر به بهبود ناوبری جراحی می‌شود. علاوه بر این، اندازه‌گیری را با استفاده از نوری که قبلاً در کاربردهای صنعتی دیده نشده بود، امکان‌پذیر می‌کند و به طور بالقوه مناطق جدیدی از آزمایش‌های غیرقابل استفاده و غیر مخرب را ایجاد می‌کند. اظهارات پروفسور تاکمورا. “با تجسم نامرئی، هدف ما تسریع توسعه پزشکی و بهبود کیفیت زندگی پزشکان و همچنین بیماران است.“