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24. Januar 2018

Fortschritte bei Beleuchtungen für HSI Kameras

Der Einsatz von Hyperspektralkameras für verschiedene Anwendungen im Bereich Medizin und Life-Sciences erfordert eine geeignete Beleuchtungsquelle. Der ausgewertete Spektralbereich bestimmt dabei die Anforderungen, die an die Beleuchtungen zu stellen sind. Die Stabilität der Beleuchtung über die Zeit und die Verteilung der Intensität im interessierenden Spektralbereich sind entscheidend für die chemometrische Auswertung der 3D-Datenwürfel mit gleichbleibenden Algorithmen.
Da für die Absorptionsspektroskopie eine breitbandige stabile Beleuchtung gebraucht wird, werden häufig Beleuchtungseinheiten eingesetzt, die auf Basis von thermischen Halogenlampen beruhen. Diese Beleuchtungseinheiten haben sich fest etabliert und besitzen eine Reihe positiver Eigenschaften für die meisten Anwendungen. Neben den positiven Eigenschaften haben Halogenlampen aber auch häufig Restriktionen, die den Einsatz von HSI Systemen in bestimmten Applikationen verhindern.

Daher beschäftigt sich Diaspective Vision seit längerer Zeit mit alternativen Beleuchtungsmöglichkeiten für die HSI Systeme. Hier konnten in den vergangenen Monaten deutliche Fortschritte gemacht werden.
Zum einen konnten erste Voruntersuchungen mit Lichtquellen basierend auf Xenonstrahlern durchgeführt werden. Xenonlampen werden für den Einsatz bei HSI Anwendungen als kritisch gesehen, da das Emissionsspektrum der Lampen eine Kombination von kontinuierlicher Strahlung mit Linien-Emission ist, die für eine Hyperspektralanwendung nachteilig ist.
In der folgenden Abbildung ist eine Test-Okklusionsstudie dargestellt, bei der eine Xenonlichtquelle als Beleuchtungseinheit eingesetzt wurde.

Okklusionssequenz aufgenommen mit einer TIVITA® Tissue Kamera kombiniert mit einer 300 W Xenonlichtquelle
Okklusionssequenz aufgenommen mit einer TIVITA® Tissue Kamera kombiniert mit einer 300 W Xenonlichtquelle

Es zeigt sich, dass mit leichten softwareseitigen Adaptionen die Lichtquellen als Beleuchtungseinheiten für die TIVITA® Kameras geeignet sind.
Als weitere Möglichkeit ist natürlich eine LED-basierte Beleuchtung hochinteressant. Die Weißlicht-LEDs sind mittlerweile sehr günstig für den Privatgebrauch erhältlich und werden immer populärer, da sie durch die Beschränkung auf das sichtbare Licht deutlich geringere Wärmestrahlung entwickeln als Halogen-Lampen.
Doch was des einen Vorteil ist, ist des anderen Nachteil: Als Beleuchtung für HSI Systeme im VIS-NIR-Bereich eignen sich diese LEDs nicht, da kein Nahinfrarotes Licht emittiert wird.
Ansätze mit der Kombination von vielen einfarbigen (Monochromen) LEDs sind in der Vergangenheit gescheitert, da die spektrale Emission der LEDs von der Temperatur abhängt und somit die Beleuchtungseinheiten bei Temperatur- und Leistungsschwankungen instabil sind.

Die Diaspective Vision verfolgt aus diesen Gründen seit längerem den Ansatz von Breitband-LEDs basierend auf breitbandig emittierenden Leuchtstoffen. Mittlerweile konnte die Technologie so weit entwickelt werden, dass Kameraaufnahmen mit LED basierten Beleuchtungseinheiten im Spektralbereich von 500 bis 900 nm mit der TIVITA® Tissue möglich sind. Im Folgenden ist eine der ersten Aufnahmeserien einer Okklussionsstudie mit einem selbst entwickelten Prototyp einer solchen breitbandigen LED Beleuchtungseinheit dargestellt.

Okklusionssequenz aufgenommen mit einer TIVITA® Tissue Kamera kombiniert mit einer breitbandigen LED-Lichtquelle
Okklusionssequenz aufgenommen mit einer TIVITA® Tissue Kamera kombiniert mit einer breitbandigen LED-Lichtquelle

In der folgenden Abbildung ist das zugehörige spektrale Analysebild einer okkludierten Aufnahme dargestellt.

Spektrale Analyse einer Okklusionsaufnahme mit einer TIVITA® Tissue Kamera kombiniert mit einer breitbandigen LED Lichtquelle. Die aufgenommenen Spektren zeigen sehr deutlich die erwarteten und bekannten Eigenschaften von oxygeniertem (Gelb und Blau) und deoxygeniertem Hämoglobin (Rot und Grün)
Spektrale Analyse einer Okklusionsaufnahme mit einer TIVITA® Tissue Kamera kombiniert mit einer breitbandigen LED Lichtquelle. Die aufgenommenen Spektren zeigen sehr deutlich die erwarteten und bekannten Eigenschaften von oxygeniertem (Gelb und Blau) und deoxygeniertem Hämoglobin (Rot und Grün)

Die Entwicklungen sind noch nicht abgeschlossen und es sind weitere Optimierungsschritte geplant; mit diesen Aufnahmen ist der Weg für den Einsatz LED-basierter Lichtquellen in Kombination mit HSI Systemen für Anwendungen im Bereich Medizin und Life-Sciences aber absehbar.
Die Beleuchtungsquellen werden für die Perfusionsbeurteilung in der Praxis große Vorteile aufweisen.
Durch die schnellen Schaltzeiten der LEDs können Fremdlichtkorrekturen in den Messungen durchgeführt werden und die Aufnahmen werden unabhängiger von Fremdlichteinflüssen.
Weiterhin wird der Wärmeeintrag auf das betrachtete Gewebe oder Objekt noch einmal deutlich reduziert, was in vielen Anwendungen vorteilhaft ist. Im Bereich der TIVITA® Tissue wird so zum Beispiel bei der Aufnahme von Bildsequenzen keine Perfusionsänderungen durch die Erwärmung der Haut auftreten.

Haben Sie Fragen zu Breitbandigen LED-Beleuchtungen für Ihre spektrale Anwendung? Sprechen Sie uns an! Wir helfen Ihnen gerne mit unseren Produkten und unserem umfassenden Know-How weiter.