丹麦研究者改进中红外成像 助力医学诊断

光子科学研究所（ICFO）与丹麦DTU Fotonik研究团队将中红外成像信息转换为近红外成像信息，实现更快速计算机辅助活检筛查。

据麦姆斯咨询报道，研究人员已开发出一种独特的高分辨率成像方法，可以捕捉毫秒级快速事件或动态过程的中红外光谱图像。由于该光谱范围可揭示样品的详细化学成分，可被广泛用于多种应用。

目前常见的一种红外成像方法是利用傅里叶变换红外（FTIR）成像，但该方法需要低温制冷型探测器以达到所需的性能水平，这就增加了操作的成本及复杂性。现代激光源和新型探测器可改善这种情况，但是此类平台仍然依赖中红外信号的直接探测。

丹麦DTU Fotonik研究团队成员Peter Tidemand-Lichtenberg认为：“这种新方法将来可能被用于医学活检的预筛选，以确定需要进一步检查的活检。它还可以用于寻找癌症和其他疾病的化学特征，从而提高诊断的准确性和速度。”

该研究团队在Optica期刊描述了新成像方法，Optica是美国光学学会（OSA）的高影响因子期刊。该研究团队还通过气流成像和区分食道组织恶性肿瘤与正常样本，来展示该技术的潜在应用。

Tidemand-Lichtenberg解释道：“尽管中红外光谱被认为是一种强大的化学分析工具，但由于缺乏经济型光源和灵敏的探测器，其适用性受到了阻碍。为了克服这一障碍，我们使用了一种方法，将化学特征最明显的中红外区域的信息，转化为如今相机技术最成熟且最灵敏的近红外区域的信息。”

扩展中红外光谱的实用性

研究人员利用了一种被称为非线性频率转换的过程，在此过程中，可使光子得到能量，以改变其波长，从而改变其颜色。尽管频率转换（即上转换）常用来改变激光输出的波长，但是利用DTU Fotonik研究人员开发的探测系统，可将整个中红外图像转换至近红外波长范围，同时保留全部空间信息。

该系统使用了由光子科学研究所（ICFO）开发的新型中红外光源，这种单波长光源可调谐到不同波长，同时它还能利用变频产生中红外光。该系统可提供20皮秒脉冲，而铌酸锂晶体作为实现上转换过程的非线性介质，可将中红外成像信号转换到近红外范围。采用标准CCD相机即可完成图像采集。

非线性介质的性质通常限制了利用上转换实现的视场角（FoV），但研究团队通过使用振镜扫描旋转晶体的方法解决了这一问题，这是一种众所周知的方法，允许在目标平面上的同心圆分别有效地完成上转换。

即便是很小的旋转也会对视场角（FoV）产生很大的影响，该研究团队通过调整晶体的旋转时间来匹配相机的积分时间，这样就无需图像的后处理，从而进一步改善了这种影响。研究团队在实践中发现，与静态设计相比，视场角（FoV）提高到原来的5倍，相对应空间可解析元素数量提高到原来的25倍。

Tidemand-Lichtenberg解释道：“这种方法可以产生完全同步的峰值功率脉冲，无需对脉冲进行复杂的时序控制，从而获得具有良好信噪比的图像。此外，我们的光学装置采用捕获图像后几乎无需后处理的设计。”

事实上，研究人员用相同的脉冲近红外激光完成了两项试验：产生可调谐中红外光 & 实现图像上转换。

实现快速事件及复杂样本的成像

研究人员通过调整照明激光来匹配气流的峰值吸收，并捕获每秒40张图像的视频，从而展示了其新型中红外上转换光谱方法的成像速度。

在一项由埃克塞特大学（Exeter University）团队成员主导的试验性研究中，该系统被用于评估食管组织癌变和健康的样本。结果发现，使用该系统进行的形态学和光谱分类与标准的染色组织病理学图像匹配良好（即准确性较高）。

频率转换实现癌症信号成像

Tidemand-Lichtenberg说：“我们的上转换成像方法是通用的，且在实现视频帧速率、中红外单色成像方面做出了重要简化。这项技术所提供的光谱信息可与机器学习相结合，以便在无需染色的情况下，根据化学特征进行更快速、更客观的医学诊断。”