L'imaging iperspettrale nel vicino infrarosso (NIR-HSI) ha attirato un'attenzione significativa nei settori alimentare e industriale come tecnica non distruttiva per analizzare la composizione degli oggetti. Un aspetto notevole del NIR-HSI è la spettroscopia di oltre mille nanometri (OTN), che può essere utilizzata per l'identificazione di sostanze organiche, la stima della loro concentrazione e la creazione di mappe 2D. Inoltre, NIR-HSI può essere utilizzato per acquisire informazioni in profondità nel corpo, rendendolo utile per la visualizzazione di lesioni nascoste nei tessuti normali.

Sono stati sviluppati vari tipi di dispositivi HSI per adattarsi a diversi target e situazioni di imaging, ad esempio per l'imaging al microscopio o l'imaging portatile e l'imaging in spazi ristretti. Tuttavia, per le lunghezze d'onda OTN, le normali fotocamere visibili perdono sensibilità ed esistono solo pochi obiettivi disponibili in commercio in grado di correggere l'aberrazione cromatica. Inoltre, è necessario costruire fotocamere, sistemi ottici e sistemi di illuminazione per dispositivi NRI-HSI portatili, ma non è stato ancora segnalato alcun dispositivo in grado di acquisire NIR-HSI con un oscilloscopio rigido, cruciale per la portabilità.

Un team di ricercatori, guidato dal professor Hiroshi Takemura dell'Università delle Scienze di Tokyo (TUS), ha recentemente sviluppato il primo sistema endoscopico rigido al mondo in grado di eseguire l'HSI dalle lunghezze d'onda visibili a quelle OTN. I loro risultati sono stati pubblicati su Optics Express in un articolo intitolato "Sviluppo di un sistema di imaging iperspettrale visibile fino a 1600 nm che utilizza luce supercontinua e un filtro sintonizzabile acusto-ottico".

Al centro di questo sistema innovativo si trovano una sorgente luminosa supercontinua (SC) e un filtro ottico-acustico sintonizzabile (AOTF) in grado di emettere lunghezze d'onda specifiche.

Il Prof. Takemura spiega:"Una sorgente luminosa SC può emettere un'intensa luce bianca coerente, mentre un AOTF può estrarre luce contenente una lunghezza d'onda specifica. Questa combinazione offre una facile trasmissione della luce alla guida luminosa e la capacità di passare elettricamente tra un'ampia gamma di lunghezze d'onda entro un millisecondo."

Il team ha verificato le prestazioni ottiche e la capacità di classificazione del sistema, dimostrando la sua capacità di eseguire HSI nell'intervallo 490-1.600 nm, consentendo sia il visibile che il NIR-HSI. Inoltre, i risultati hanno evidenziato diversi vantaggi, come la bassa potenza luminosa delle lunghezze d'onda estratte, la possibilità di immagini non distruttive e la capacità di ridimensionamento. Inoltre, è possibile ottenere uno spettro NIR più continuo rispetto a quello dei convenzionali dispositivi di tipo rigido.

Per dimostrare la capacità del loro sistema, i ricercatori lo hanno utilizzato per acquisire gli spettri di sei tipi di resine e hanno impiegato una rete neurale per classificare gli spettri pixel per pixel in più lunghezze d'onda.

I risultati hanno rivelato che quando l'intervallo di lunghezze d'onda OTN veniva estratto dai dati HSI per l'addestramento, la rete neurale poteva classificare sette diversi target, comprese le sei resine e un riferimento bianco, con una precisione del 99,6%, una riproducibilità del 93,7% e una specificità del 99,1%. Ciò significa che il sistema può estrarre con successo informazioni sulle vibrazioni molecolari di ciascuna resina in ciascun pixel.

Il Prof. Takemura e il suo team hanno inoltre identificato diverse direzioni di ricerca future per migliorare questo metodo, tra cui il miglioramento della qualità dell'immagine e del ricordo nella regione visibile e il perfezionamento del design dell'endoscopio rigido per correggere le aberrazioni cromatiche su un'ampia area. Con questi ulteriori progressi, nei prossimi anni, si prevede che la tecnologia HSI proposta faciliterà nuove applicazioni nell'ispezione industriale e nel controllo qualità, funzionando come uno strumento di "visione sovrumana" che sblocca nuovi modi di percepire e comprendere il mondo che ci circonda.

"Questa innovazione, che combina competenze provenienti da diversi campi attraverso un approccio collaborativo e interdisciplinare, consente l'identificazione delle aree tumorali invase e la visualizzazione di tessuti profondi come vasi sanguigni, nervi e ureteri durante le procedure mediche, portando a una migliore navigazione chirurgica . Inoltre, consente la misurazione utilizzando la luce mai vista prima nelle applicazioni industriali, creando potenzialmente nuove aree di non utilizzo e di test non distruttivi," ha affermato il prof. Takemura.

"Visualizzando l'invisibile, miriamo ad accelerare lo sviluppo della medicina e a migliorare la qualità della vita dei medici e dei pazienti."