高光谱成像(HSI)是一种最先进的技术，可以捕获和处理给定电磁频谱上的信息。与传统成像技术捕获特定波长的光强度不同，HSI在图像中的每个像素处收集全光谱。这些丰富的光谱数据可以根据不同材料和物质的独特光谱特征来区分它们。近红外高光谱成像(NIR-HSI)作为一种无损分析物体成分的技术，在食品和工业领域受到了广泛的关注。NIR-HSI的一个值得注意的方面是超千纳米(OTN)光谱，它可以用于有机物质的鉴定，它们的浓度估计和二维地图的创建。此外，NIR-HSI可用于获取身体深处的信息，使其有助于可视化隐藏在正常组织中的病变。
各种类型的HSI设备已经开发出来，以适应不同的成像目标和情况，例如在显微镜下成像或便携式成像和在密闭空间成像。然而，对于OTN波长，普通可见光相机失去了灵敏度，只有少数市售镜头可以纠正色差。此外，为便携式NIR-HSI设备构建相机、光学系统和照明系统是必要的，但目前还没有报道能够获得具有刚性范围的NIR-HSI的设备，这对便携性至关重要。
现在，在一项新的研究中，由东京科学大学(TUS)的Hiroshi Takemura教授领导的一组研究人员，包括来自TUS的Toshihiro Takamatsu, ryyodai Fukushima, Kounosuke Sato, Masakazu Umezawa和Kohei Soga，来自RIKEN的Hideo Yokota，以及来自Las Palmas de Gran Canaria大学的Abian Hernandez Guedes和Gustavo M. Calico，最近开发了世界上第一个能够从可见光到OTN波长进行HSI的刚性内窥镜系统。他们的发现发表在2024年4月17日的《光学快报》第32卷第9期上。
这个创新系统的核心是一个超连续体(SC)光源和一个可以发射特定波长的声光可调滤波器(AOTF)。Takemura教授解释说:“SC光源可以输出强烈的相干白光，而AOTF可以提取包含特定波长的光。这种组合为光导提供了简单的光传输，并且能够在一毫秒内在广泛的波长范围内进行电切换。”
该团队验证了该系统的光学性能和分类能力，展示了其在490-1600 nm范围内执行HSI的能力，实现了可见光和NIR-HSI。此外，结果还突出了几个优点，例如提取波长的低光功率，实现非破坏性成像，以及缩小尺寸的能力。此外，与传统的刚性范围型器件相比，可以获得更连续的近红外光谱。
为了证明他们的系统的能力，研究人员用它来获取六种树脂的光谱，并使用神经网络在多个波长中逐像素地对光谱进行分类。结果表明，当从HSI数据中提取OTN波长范围进行训练时，神经网络可以对包括6种树脂和1种白色参考物在内的7种不同的目标进行分类，准确率为99.6%，重现性为93.7%，特异性为99.1%。这意味着该系统可以成功地在每个像素处提取每种树脂的分子振动信息。
Takemura教授和他的团队还确定了改进该方法的几个未来研究方向，包括提高可见光区域的图像质量和召回率，以及改进刚性内窥镜的设计以纠正大范围内的色差。随着这些进一步的进步，在未来几年，拟议的HSI技术有望促进工业检测和质量控制的新应用，作为“超人视觉”工具，开启感知和理解我们周围世界的新方法。
“这一突破结合了不同领域的专业知识，通过协作，跨学科的方法，能够识别侵入的癌症区域，并在医疗过程中可视化深部组织，如血管，神经和输尿管，从而改善手术导航。”此外，它可以使用以前在工业应用中看不到的光进行测量，潜在地创造了非使用和无损检测的新领域，”Takemura教授评论道。“通过可视化看不见的东西，我们的目标是加速医学的发展，提高医生和患者的生活质量。”
