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Evaluación de la distorsión espectral dependiente del ángulo para el desarrollo de una endoscopia hiperespectral precisa

Gran ángulo de disparo crea distorsión espectral

En primer lugar, se investigó el efecto del ángulo de imagen sobre la calidad del HSI. Las fibras ramificadas se aprovecharon para realizar HSI en condiciones similares a las de la endoscopia clínica, que ilumina los tejidos y recoge la señal de luz reflejada utilizando las mismas fibras ópticas. Se emparejó una fuente de luz de banda ancha con rangos espectrales de 400 a 850 nm a un extremo de la fibra ramificada y se conectó un espectrómetro al otro extremo de la fibra para medir la información espectral de la luz reflejada de la muestra. El ángulo de la fibra se ajustó cuantitativamente de 0° (normal) a 60° a través del soporte giratorio. Se utilizó un trozo de papel blanco, un material altamente dispersivo con poca absorción de luz visible, como objetivo de reflexión para medir el perfil espectral de la luz de iluminación.

La Figura 2a muestra los perfiles espectrales de la luz reflejada en el papel blanco medidos en diferentes ángulos de imagen. El ángulo de reflexión aumenta a medida que los ángulos de disparo cambian de normal a 60 grados; Así, se disminuye la cantidad de luz que recibe la fibra. A pesar de la menor intensidad medida en las fibras, los perfiles espectrales deben permanecer iguales debido a la insignificante absorbancia del papel en la longitud de onda visible. Para verificar si el ángulo de la imagen afecta el perfil espectral medido, la reflectancia normal se calculó utilizando el perfil espectral medido en el ángulo normal como referencia (consulte la sección «Métodos»). La figura 2 muestra la reflexión normal obtenida desde diferentes ángulos de las fibras. A medida que aumenta el ángulo de las fibras, los perfiles espectrales muestran una reflexión no uniforme a lo largo de la longitud de onda. Específicamente, los perfiles espectrales de 400 a 550 nm y de 750 a 800 nm muestran una mayor reflectancia en ángulos de fibra grandes, mientras que hubo una reflectancia relativamente constante en el rango espectral de 550 a 800 nm. Por lo tanto, se eligieron las tres bandas (400-550 nm, 550-750 nm, 750-800 nm) para explotar el efecto de los ángulos de formación de imágenes sobre la distorsión espectral en cada banda espectral.

Figura 2

Análisis cuantitativo de las características espectrales de una fuente de luz medida en diferentes ángulos. (a) Los perfiles espectrales sin procesar de la fuente de luz se midieron mediante un espectrofotómetro con un tiempo de exposición de 300 ms. (B) Los perfiles espectrales se normalizaron explotando la señal espectral obtenida en el ángulo normal como señal de referencia. (C) Resultados de SAM para tres regiones espectrales, 400–550 nm (línea de puntos y guiones), 550–750 nm (línea continua), 750–800 nm (línea discontinua). (Dr) Las señales reflejadas de la fuente de luz se promediaron en modo normal con tiempos de exposición de 100 ms (línea discontinua), 300 ms (línea discontinua) y 500 ms (línea continua). (miY el F) Resultados SAM de 400-550 nm y 750-800 nm, respectivamente.

Para estimar la falta de uniformidad de los perfiles espectrales de la reflectancia, los perfiles espectrales se dividieron en tres bandas: 400–550 nm, 550–750 nm y 750–800 nm, y las señales espectrales segmentadas se analizaron cuantitativamente a través del SAM. . La Figura 2c muestra los resultados de SAM para tres bandas espectrales en las esquinas de la fibra. Todos los valores de SAM aumentan al aumentar el ángulo de fibra. Pero hubo diferencias significativas en las bandas espectrales a 400-550 nm y 750-800 nm en comparación con el resultado SAM calculado a partir del rango espectral a 550-750 nm. Además, la distorsión espectral a 400-550 nm es mucho mayor que a 750-800 nm.

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La señal reflejada baja y la velocidad de imagen rápida afectan la calidad de HSI

Encontramos que la fuente de luz tiene baja energía en las bandas espectrales que mostraron una distorsión espectral severa en el resultado anterior. Así, se evaluó el efecto de señales bajas reflejadas sobre la distorsión espectral variando el tiempo de exposición del espectrómetro bajo las mismas condiciones de iluminación. Se eligieron tres tiempos de exposición (100, 300 y 500 ms) porque las señales espectrales medidas mostraban claramente una intensidad suficientemente baja, media y alta para comprobar si el nivel de intensidad medido en el detector afecta a la distorsión espectral. La Figura 2d muestra los tres perfiles espectrales reflejados de ángulo normal con tiempos de exposición de 100, 300 y 500 ms, respectivamente. La intensidad bruta se incrementó al aumentar el tiempo de exposición del espectrofotómetro. La Figura 2e muestra los resultados de SAM a 400–550 nm y 750–800 nm calculados utilizando el perfil espectral medido en ángulo normal en cada tiempo de exposición como señales de referencia. Hubo distorsiones espectrales significativas en el tiempo de exposición bajo, lo que significa que el ruido del detector y el tiempo de exposición bajo afectan la precisión espectrofotométrica. Además, las distorsiones espectrales entre 400 y 550 nm son mayores que entre 750 y 800 nm, de acuerdo con el resultado anterior.

Las propiedades biológicas de dispersión tisular tienen poco efecto sobre HSI

Los resultados anteriores indican más distorsiones espectrales a una longitud de onda más corta que a una longitud de onda más larga. Probamos si la dependencia de la longitud de onda en la distorsión espectral está relacionada con las propiedades de dispersión del objetivo. Por lo tanto, los efectos de la dispersión de la luz se evaluaron utilizando fantasmas que imitan tejidos. Se creó un fantasma simulado por tejido utilizando agarosa en diferentes concentraciones dentro de los lípidos para controlar los coeficientes de dispersión del fantasma (consulte la sección «Métodos»). Se midieron cuatro fantasmas que imitaban tejidos con concentraciones intralipídicas de 2,08 %, 4,16 %, 6,24 % y 8,32 % con un tiempo de exposición de 300 ms, respectivamente. Se eligió el tiempo máximo de exposición en el que la señal espectral medida no se satura de los fantasmas de tejido. Con el aumento de la concentración de intralípidos, la muestra se volvió blanca debido a una mayor dispersión de la luz (Fig. 3a). Por lo tanto, hay más señales de luz devueltas por los fantasmas con una mayor concentración dentro de los lípidos (Fig. 3b).

figura 3
figura 3

Evaluación de la distorsión espectral dependiente del ángulo mediante la explotación de fantasmas que imitan tejidos. (a) Fotografías de un fantasma que imita tejido a concentraciones intralipídicas de 2,08 %, 4,16 %, 6,24 % y 8,32 %. (B) Se midieron las señales reflejadas sin procesar de los fantasmas in situ. Las señales reflejadas mostraron una alta intensidad con concentraciones crecientes de intralípidos. (CmiLos resultados de SAM de cuatro fantasmas simulados con tejido se analizaron cuantitativamente en tres regiones espectrales diferentes (400–550 nm, 550–750 nm, 750–800 nm), respectivamente.

Las Figuras 3c-e muestran el análisis cuantitativo SAM de la distorsión espectral en diferentes ángulos de las fibras en el rango de 400-550 nm, 550-750 nm y 750-800 nm, respectivamente. Las distorsiones espectrales aumentaron con el aumento del ángulo de la fibra. Además, hubo una gran distorsión espectral en el rango espectral de 400-550 nm. Estos resultados son consistentes con los obtenidos del libro blanco. Por otro lado, no existe una diferencia significativa en la distorsión espectral entre muestras con diferentes concentraciones dentro de los lípidos. Este resultado indica que el efecto de dispersión de la luz de los tejidos biológicos en la formación de imágenes hiperespectrales es menor que el del ángulo de formación de imágenes.

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Además, la distorsión espectral se evaluó utilizando un fantasma simulado de tejido grande donde había un área de iluminación creciente con un ángulo de fibra grande fuera del límite de la muestra (Fig. 1a complementaria), lo que puede causar errores en el análisis cuantitativo del espectro. Las áreas de iluminación se colocaron principalmente en el fantasma grande, independientemente de los ángulos de las fibras. Debido al tamaño de la muestra, la distorsión espectral se analizó en tres ángulos (normal, 10° y 20°) en una distancia de trabajo larga. A medida que cambiaron las condiciones de imagen, incluida la distancia de trabajo, el grosor y el diámetro de la muestra, los valores de SAM fueron mayores que los medidos en experimentos anteriores. Aunque los resultados cuantitativos muestran una diferencia, la tendencia general de distorsión espectral dependiente del ángulo en tres bandas espectrales es consistente con los resultados anteriores.