O novo sistema de imagem hiperespectral extrai com precisão as vibrações moleculares de diferentes resinas e as distingue com alta reprodutibilidade. Crédito:Hiroshi Takemura / Universidade de Ciências de Tóquio A imagem hiperespectral (HSI) é uma técnica de última geração que captura e processa informações em um determinado espectro eletromagnético. Ao contrário das técnicas tradicionais de imagem que capturam a intensidade da luz em comprimentos de onda específicos, o HSI coleta um espectro completo em cada pixel de uma imagem. Esses ricos dados espectrais permitem a distinção entre diferentes materiais e substâncias com base em suas assinaturas espectrais únicas.
A imagem hiperespectral no infravermelho próximo (NIR-HSI) tem atraído atenção significativa nas áreas alimentícia e industrial como uma técnica não destrutiva para analisar a composição de objetos. Um aspecto notável do NIR-HSI é a espectroscopia acima de mil nanômetros (OTN), que pode ser usada para a identificação de substâncias orgânicas, sua estimativa de concentração e criação de mapas 2D. Além disso, o NIR-HSI pode ser usado para adquirir informações profundas do corpo, tornando-o útil para a visualização de lesões ocultas em tecidos normais.
Vários tipos de dispositivos HSI foram desenvolvidos para atender diferentes alvos e situações de imagem, como para imagens sob um microscópio ou imagens portáteis e imagens em espaços confinados. No entanto, para comprimentos de onda OTN, as câmeras visíveis comuns perdem a sensibilidade e existem apenas algumas lentes disponíveis comercialmente que podem corrigir a aberração cromática. Além disso, é necessário construir câmeras, sistemas ópticos e sistemas de iluminação para dispositivos NRI-HSI portáteis, mas nenhum dispositivo que possa adquirir NIR-HSI com escopo rígido, crucial para a portabilidade, foi relatado ainda.
Uma equipe de pesquisadores, liderada pelo professor Hiroshi Takemura da Universidade de Ciências de Tóquio (TUS), desenvolveu recentemente o primeiro sistema de endoscópio rígido do mundo capaz de HSI desde comprimentos de onda visíveis até OTN. Suas descobertas foram publicadas na Optics Express em um artigo intitulado "Desenvolvimento de um sistema de escopo rígido de imagem hiperespectral visível a 1600 nm usando luz supercontínua e um filtro acústico-óptico sintonizável."
No centro deste sistema inovador está uma fonte de luz supercontínua (SC) e um filtro acústico-óptico sintonizável (AOTF) que pode emitir comprimentos de onda específicos.
O professor Takemura explica:"Uma fonte de luz SC pode produzir luz branca intensa e coerente, enquanto um AOTF pode extrair luz contendo um comprimento de onda específico. Esta combinação oferece fácil transmissão de luz para o guia de luz e a capacidade de alternar eletricamente entre uma ampla faixa de comprimentos de onda dentro de um milissegundo."
A equipe verificou o desempenho óptico e a capacidade de classificação do sistema, demonstrando sua capacidade de realizar HSI na faixa de 490–1.600 nm, permitindo HSI visível e NIR. Além disso, os resultados destacaram diversas vantagens, como o baixo poder luminoso dos comprimentos de onda extraídos, permitindo imagens não destrutivas e capacidade de redução de tamanho. Além disso, um espectro NIR mais contínuo pode ser obtido em comparação com dispositivos convencionais do tipo osciloscópio rígido.
Para demonstrar a capacidade do seu sistema, os pesquisadores usaram-no para adquirir os espectros de seis tipos de resinas e empregaram uma rede neural para classificar os espectros pixel por pixel em múltiplos comprimentos de onda.
Os resultados revelaram que quando a faixa de comprimento de onda OTN foi extraída dos dados HSI para treinamento, a rede neural conseguiu classificar sete alvos diferentes, incluindo as seis resinas e uma referência branca, com precisão de 99,6%, reprodutibilidade de 93,7% e especificidade de 99,1%. Isto significa que o sistema pode extrair com sucesso informações de vibração molecular de cada resina em cada pixel.
O professor Takemura e sua equipe também identificaram várias direções de pesquisa futuras para melhorar este método, incluindo o aprimoramento da qualidade e recuperação da imagem na região visível e o refinamento do design do endoscópio rígido para corrigir aberrações cromáticas em uma ampla área. Com estes avanços adicionais, nos próximos anos, espera-se que a tecnologia HSI proposta facilite novas aplicações em inspeção industrial e controle de qualidade, funcionando como uma ferramenta de “visão sobre-humana” que abre novas formas de perceber e compreender o mundo que nos rodeia.
“Esta inovação, que combina conhecimentos de diferentes áreas através de uma abordagem colaborativa e interdisciplinar, permite a identificação de áreas cancerosas invadidas e a visualização de tecidos profundos, como vasos sanguíneos, nervos e ureteres durante procedimentos médicos, levando a uma melhor navegação cirúrgica. Além disso, permite a medição usando luz nunca antes vista em aplicações industriais, criando potencialmente novas áreas de não utilização e testes não destrutivos", disse o Prof. Takemura.
“Ao visualizar o invisível, pretendemos acelerar o desenvolvimento da medicina e melhorar a qualidade de vida dos médicos e também dos pacientes”.
