Spektralbilder, die mehr Farbinformationen bieten als die Bilder eine normalen Kamera, zeigen Eigenschaften von Gewebe und anderen biologischen Proben, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. Ein neues Smartphone-kompatibles Gerät, das wie ein Bleistift gehalten wird, könnte Spektralbilder von verschiedensten Objekten erfassen und diese schließlich für die medizinische Diagnose am Point-of-Care, also für die patientennahe Sofortdiagnostik, nutzbar machen.
Die Einsatzmöglichkeiten des neuen Geräts reichen vom Nachweis der Sauerstoffsättigung im Blut über die Bestimmung der Fleischfrische im Lebensmittelbereich bis hin zur Identifizierung des Reifegrades von Früchten. Das Spektrometer könnte auch die Erfassung von Spektraldaten im Feld für wissenschaftliche Untersuchungen erleichtern.
In der Zeitschrift Biomedical Optics Express der Optical Society (OSA) beschreiben die Forscher, wie man das neue bleistiftähnliche Spektrometer herstellt und seine Fähigkeit, spektrale Bilder beispielsweise von einer menschlichen der Hand aufzunehmen. Das neue Gerät kann Wellenlängen von 400 bis 676 Nanometern an 186 Punkten gleichzeitig detektieren.
„Der einfachste Weg, ein Spektrometer zu benutzen ist, es über den zu untersuchenden Körperteil oder das zu untersuchende Objekt zu schwenken”, sagt der erste Autor Fuhong Cai, Hainan University, China. „Viele tragbare Spektrometer verwenden eine Smartphone-Kamera, um Daten zu erfassen, und eine Telefonhalterung, die andere notwendige Optiken enthält. Es ist dann oft schwierig, die Basisstation optimal auszurichten und das Smartphone richtig über den Körper zu führen.”
Das neue Spektrometer verwendet eine kommerziell erhältliche CMOS-Kamera (CMOS = complementary metal-oxide-semiconductor), die Bilder drahtlos an ein Smartphone überträgt. Auf diese Weise konnten die Forscher ein zylindrisches Spektralbildgebungsgerät mit einem Gewicht von nur 140 Gramm konstruieren, das etwa so lang wie ein Smartphone ist und einen Durchmesser ca. 3 Zentimetern hat.
Verwendung handelsüblicher Komponenten
Das neue Bleistiftspektrometer verwendet Standardkomponenten, die für weniger als 300 US-Dollar erhältlich sind. Die Lichtquelle besteht aus einer Reihe von weißen LEDs, die einen handelsüblichen optischen Tubus mit dem CMOS-Detektor und anderen optischen Komponenten, die für die spektrale Bildgebung erforderlich sind, verbindet.
Man kann das Bleistift-Spektrometer einfach verwenden, indem man es manuell über das Zielgebiet bewegt. Dieser Abtast-Scanprozess baut eine Reihe von Spektralbildern auf, die an ein Smartphone oder einen Computer gesendet werden, wo die Software sie zu einem 3D-Spektralbilddatenwürfel zusammenfügt.
Die Forscher prüften das Spektrometer unter anderem, um eine menschliche Hand zu scannen, wobei sie ein 16-Sekunden-Video mit 200 Spektralbildern erhielten. Darin konnten fünf Finger, die Handfläche und die variierende Hämoglobinverteilung in der Hand identifziert werden.
Optimierung des Systems
Die Verwendung kommerziell erhältlicher Komponenten zur Herstellung des Prototyps bedeutet zwar, dass jedermann das Gerät zusammenbauen kann, aber sie setzt auch Grenzen bei Auflösung und Empfindlichkeit. So kann der Prototyp beispielsweise nur Wellenlängen auflösen, die sich um mindestens 17 Nanometer unterscheiden.
Gearbeitet wird von den chinesischen Forschern an der Verbesserung der spektralen Auflösung und Entwicklung von Software zur Analyse der mit dem portablen Spektral-Bildwandler gesammelten Daten.
Literatur
- Fuhong Cai, Dan Wang, Min Zhu, Sailing He. Pencil-like imaging spectrometer for bio-samples sensing. Biomedical Optics Express, 2017; 8 (12): 5427 DOI: 10.1364/BOE.8.005427
