光子科學(xué)研究所（ICFO）與丹麥DTU Fotonik研究團(tuán)隊(duì)將中紅外成像信息轉(zhuǎn)換為近紅外成像信息，實(shí)現(xiàn)更快速計(jì)算機(jī)輔助活檢篩查。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，研究人員已開發(fā)出一種獨(dú)特的高分辨率成像方法，可以捕捉毫秒級(jí)快速事件或動(dòng)態(tài)過(guò)程的中紅外光譜圖像。由于該光譜范圍可揭示樣品的詳細(xì)化學(xué)成分，可被廣泛用于多種應(yīng)用。

目前常見的一種紅外成像方法是利用傅里葉變換紅外（FTIR）成像，但該方法需要低溫制冷型探測(cè)器以達(dá)到所需的性能水平，這就增加了操作的成本及復(fù)雜性?，F(xiàn)代激光源和新型探測(cè)器可改善這種情況，但是此類平臺(tái)仍然依賴中紅外信號(hào)的直接探測(cè)。

丹麥DTU Fotonik研究團(tuán)隊(duì)成員Peter Tidemand-Lichtenberg認(rèn)為：“這種新方法將來(lái)可能被用于醫(yī)學(xué)活檢的預(yù)篩選，以確定需要進(jìn)一步檢查的活檢。它還可以用于尋找癌癥和其他疾病的化學(xué)特征，從而提高診斷的準(zhǔn)確性和速度?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)在Optica期刊描述了新成像方法，Optica是美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）的高影響因子期刊。該研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)氣流成像和區(qū)分食道組織惡性腫瘤與正常樣本，來(lái)展示該技術(shù)的潛在應(yīng)用。

Tidemand-Lichtenberg解釋道：“盡管中紅外光譜被認(rèn)為是一種強(qiáng)大的化學(xué)分析工具，但由于缺乏經(jīng)濟(jì)型光源和靈敏的探測(cè)器，其適用性受到了阻礙。為了克服這一障礙，我們使用了一種方法，將化學(xué)特征最明顯的中紅外區(qū)域的信息，轉(zhuǎn)化為如今相機(jī)技術(shù)最成熟且最靈敏的近紅外區(qū)域的信息?！?/p>

擴(kuò)展中紅外光譜的實(shí)用性

研究人員利用了一種被稱為非線性頻率轉(zhuǎn)換的過(guò)程，在此過(guò)程中，可使光子得到能量，以改變其波長(zhǎng)，從而改變其顏色。盡管頻率轉(zhuǎn)換（即上轉(zhuǎn)換）常用來(lái)改變激光輸出的波長(zhǎng)，但是利用DTU Fotonik研究人員開發(fā)的探測(cè)系統(tǒng)，可將整個(gè)中紅外圖像轉(zhuǎn)換至近紅外波長(zhǎng)范圍，同時(shí)保留全部空間信息。

該系統(tǒng)使用了由光子科學(xué)研究所（ICFO）開發(fā)的新型中紅外光源，這種單波長(zhǎng)光源可調(diào)諧到不同波長(zhǎng)，同時(shí)它還能利用變頻產(chǎn)生中紅外光。該系統(tǒng)可提供20皮秒脈沖，而鈮酸鋰晶體作為實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換過(guò)程的非線性介質(zhì)，可將中紅外成像信號(hào)轉(zhuǎn)換到近紅外范圍。采用標(biāo)準(zhǔn)CCD相機(jī)即可完成圖像采集。

非線性介質(zhì)的性質(zhì)通常限制了利用上轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)角（FoV），但研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用振鏡掃描旋轉(zhuǎn)晶體的方法解決了這一問(wèn)題，這是一種眾所周知的方法，允許在目標(biāo)平面上的同心圓分別有效地完成上轉(zhuǎn)換。

即便是很小的旋轉(zhuǎn)也會(huì)對(duì)視場(chǎng)角（FoV）產(chǎn)生很大的影響，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整晶體的旋轉(zhuǎn)時(shí)間來(lái)匹配相機(jī)的積分時(shí)間，這樣就無(wú)需圖像的后處理，從而進(jìn)一步改善了這種影響。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，與靜態(tài)設(shè)計(jì)相比，視場(chǎng)角（FoV）提高到原來(lái)的5倍，相對(duì)應(yīng)空間可解析元素?cái)?shù)量提高到原來(lái)的25倍。

Tidemand-Lichtenberg解釋道：“這種方法可以產(chǎn)生完全同步的峰值功率脈沖，無(wú)需對(duì)脈沖進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)序控制，從而獲得具有良好信噪比的圖像。此外，我們的光學(xué)裝置采用捕獲圖像后幾乎無(wú)需后處理的設(shè)計(jì)?！?/p>

事實(shí)上，研究人員用相同的脈沖近紅外激光完成了兩項(xiàng)試驗(yàn)：產(chǎn)生可調(diào)諧中紅外光 & 實(shí)現(xiàn)圖像上轉(zhuǎn)換。

實(shí)現(xiàn)快速事件及復(fù)雜樣本的成像

研究人員通過(guò)調(diào)整照明激光來(lái)匹配氣流的峰值吸收，并捕獲每秒40張圖像的視頻，從而展示了其新型中紅外上轉(zhuǎn)換光譜方法的成像速度。

在一項(xiàng)由?？巳卮髮W(xué)（Exeter University）團(tuán)隊(duì)成員主導(dǎo)的試驗(yàn)性研究中，該系統(tǒng)被用于評(píng)估食管組織癌變和健康的樣本。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用該系統(tǒng)進(jìn)行的形態(tài)學(xué)和光譜分類與標(biāo)準(zhǔn)的染色組織病理學(xué)圖像匹配良好（即準(zhǔn)確性較高）。

頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)癌癥信號(hào)成像

Tidemand-Lichtenberg說(shuō)：“我們的上轉(zhuǎn)換成像方法是通用的，且在實(shí)現(xiàn)視頻幀速率、中紅外單色成像方面做出了重要簡(jiǎn)化。這項(xiàng)技術(shù)所提供的光譜信息可與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，以便在無(wú)需染色的情況下，根據(jù)化學(xué)特征進(jìn)行更快速、更客觀的醫(yī)學(xué)診斷。”