הדמיה היפרספקטרלית (HSI) היא טכניקה מתקדמת הלוכדת ומעבדת מידע על פני ספקטרום אלקטרומגנטי נתון. בניגוד לטכניקות הדמיה מסורתיות הלוכדות עוצמת אור באורכי גל ספציפיים, HSI אוסף ספקטרום מלא בכל פיקסל בתמונה. נתונים ספקטרליים עשירים אלו מאפשרים את ההבחנה בין חומרים וחומרים שונים על סמך החתימות הספקטרליות הייחודיות שלהם. הדמיה היפרספקטרלית קרובה לאינפרא אדום (NIR-HSI) משכה תשומת לב משמעותית בתחומי המזון והתעשייה כטכניקה לא הרסנית לניתוח הרכבם של עצמים. היבט בולט של NIR-HSI הוא ספקטרוסקופיה של מעל אלף ננומטר (OTN), אשר ניתן להשתמש בה לזיהוי חומרים אורגניים, הערכת ריכוזם ויצירת מפות דו-ממדיות. בנוסף, ניתן להשתמש ב-NIR-HSI לרכישת מידע עמוק לתוך הגוף, מה שהופך אותו לשימושי להדמיה של נגעים חבויים ברקמות רגילות.
סוגים שונים של מכשירי HSI פותחו כדי להתאים למטרות הדמיה ולמצבים שונים, כגון להדמיה במיקרוסקופ או הדמיה ניידת והדמיה בחללים סגורים. עם זאת, עבור אורכי גל OTN, מצלמות גלויות רגילות מאבדות רגישות וקיימות רק כמה עדשות זמינות מסחרית שיכולות לתקן סטייה כרומטית. יתרה מכך, יש צורך לבנות מצלמות, מערכות אופטיות ומערכות תאורה עבור התקני NRI-HSI ניידים, אך עדיין לא דווח על מכשיר שיכול לרכוש NIR-HSI בהיקף קשיח, חיוני לניידות.
כעת, במחקר חדש, צוות חוקרים, בראשותו של פרופסור הירושי טאקמורה מאוניברסיטת טוקיו למדע (TUS) וכולל את טושיהירו טקמאצו, ריודאי פוקושימה, קונוסוקה סאטו, מאסאקאזו אומאזווה וקוהיי סוגה, כולם מ-TUS, Hideo Yokota מ-TUS. RIKEN, ואביאן הרננדז גודס וגוסטבו מ. קאליקו, שניהם מאוניברסיטת לאס פלמאס דה גראן קנריה, פיתחו לאחרונה את מערכת האנדוסקופ הקשיחה הראשונה בעולם המסוגלת לבצע HSI מאורכי גל גלוי עד OTN. הממצאים שלהם היו פורסם בכרך 32, גיליון 9 של Optics Express ב-17 באפריל, 2024.
בליבה של מערכת חדשנית זו מצוי מקור אור על רצף (SC) ומסנן אקוסטי-אופטו מתכוונן (AOTF) שיכול לפלוט אורכי גל ספציפיים. פרופ' טקמורה מסביר "אn מקור אור SC יכול להפיק אור לבן קוהרנטי עז, ואילו AOTF יכול לחלץ אור המכיל אורך גל מסוים. שילוב זה מציע העברת אור קלה למנחה האור ויכולת לעבור חשמלית בין טווח רחב של אורכי גל בתוך אלפית שנייה."
הצוות אימת את הביצועים האופטיים ויכולת הסיווג של המערכת, והוכיח את יכולתה לבצע HSI בטווח של 490-1600 ננומטר, מה שמאפשר גלוי וגם NIR-HSI. בנוסף, התוצאות הדגישו מספר יתרונות, כגון עוצמת האור הנמוכה של אורכי גל שחולצו, המאפשרת הדמיה לא הרסנית ויכולת צמצום. יתרה מכך, ניתן להשיג ספקטרום NIR רציף יותר בהשוואה לזה של מכשירים רגילים מסוג קשיח.
כדי להדגים את יכולת המערכת שלהם, החוקרים השתמשו בה כדי לרכוש את הספקטרום של שישה סוגי שרפים והשתמשו ברשת עצבית כדי לסווג את הספקטרים פיקסל אחר פיקסל באורכי גל מרובים. התוצאות גילו שכאשר הוצא טווח אורכי הגל של ה-OTN מנתוני HSI לצורך אימון, הרשת העצבית יכלה לסווג שבעה מטרות שונות, כולל ששת השרפים והתייחסות לבנה, עם דיוק של 99.6%, יכולת שחזור של 93.7% וסגוליות. של 99.1%. המשמעות היא שהמערכת יכולה לחלץ בהצלחה מידע רטט מולקולרי של כל שרף בכל פיקסל.
פרופ' טקמורה וצוותו זיהו גם כמה כיווני מחקר עתידיים לשיפור שיטה זו, כולל שיפור איכות התמונה והזכירה באזור הנראה וחידוד העיצוב של האנדוסקופ הקשיח לתיקון סטיות כרומטיות על פני שטח רחב. עם התקדמות נוספת אלו, בשנים הקרובות, טכנולוגיית HSI המוצעת צפויה להקל על יישומים חדשים בפיקוח תעשייתי ובקרת איכות, לעבוד ככלי "חזון על אנושי" שפותח דרכים חדשות לתפיסה והבנה של העולם סביבנו.
"פריצת דרך זו, המשלבת מומחיות מתחומים שונים באמצעות גישה שיתופית, חוצת תחומית, מאפשרת זיהוי של אזורי סרטן פלשו והדמיה של רקמות עמוקות כגון כלי דם, עצבים ושופכנים במהלך פרוצדורות רפואיות, מה שמוביל לניווט כירורגי משופר. בנוסף, היא מאפשרת מדידה באמצעות אור שלא נראה בעבר ביישומים תעשייתיים, מה שעלול ליצור אזורים חדשים של בדיקות ללא שימוש ולא הרסניות." מעיר פרופ' טקמורה. "על ידי הדמיית הבלתי נראה, אנו שואפים להאיץ את התפתחות הרפואה ולשפר את איכות החיים של רופאים כמו גם מטופלים."
