Gewebe/ Hautanalysen

NIR Hyperspektraldaten eines Fingers, die verschiedene Merkmale in unterschiedlichen Spektralbereichen zeigen
NIR Hyperspektraldaten eines Fingers, die verschiedene Merkmale in unterschiedlichen Spektralbereichen zeigen

Die Spektralanalyse von lebendem Gewebe gibt Informationen in Bezug auf wichtige biologische Funktionen. Absorptionsbanden im sichtbaren Spektralbereich dienen zur Bestimmung der Hämoglobinkonzentration und des Verhältnisses von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im Blut. Im Nah-Infrarot (NIR) Bereich kann der Feuchtigkeitsgehalt auf der Hautoberfläche spektral gemessen werden.

Jedoch werden die meisten Analysen mit Einzelpunktmesssystemen durchgeführt, die keine räumliche Verteilung der zu untersuchenden Parameter im lebenden Gewebe zur Verfügung stellen. Örtliche Veränderungen auf großen Proben oder Körperteilen können somit nicht detektiert werden. Auch in Kombination mit automatisierten Scansystemen z. Bsp. motorgesteuerten Y-X Tischen können die Aufnahmezeiten sehr hoch sein, was zu einer möglichen Beschädigung des Gewebes/der Haut durch die NIR Strahlung führen kann.

Bildgebende NIR Hyperspektralkameras wie uniSPEC1.7HSI können eine vollständige Gewebeprobe in kurzer Zeit scannen. Dadurch werden Schäden aufgrund der NIR Strahlung minimiert. Neben der räumlichen Verteilung der biologischen Parameter sind auch geometrische Analysen von Hauteigenschaften bei hohen räumlichen Auflösungen realisierbar. Die Kombination aus hoher Auflösung sowie spektraler und geometrischer Analyse von Leberflecken hat ein großes Potenzial und kann als nicht-invasive und schnelle Methode zur Diagnose von Hautkrebs in einem frühen Stadium dienen.

Beispiel: NIR Hyperspektraldaten einer Hand

(gemessen bei 1090 nm - 1100 nm, erlaubt eine nicht-invasive subkutane Einsicht der Blutgefäße)

Originalbild  NIR-Identifikation

Überwachung von Vegetation für die Land- und Forstwirtschaft

Hyperspektrale Analyse von Blättern (relativer Chlorophyllgehalt)
Hyperspektrale Analyse von Blättern (relativer Chlorophyllgehalt)

Die VIS Spektralanalyse von Pflanzen kann Informationen in Bezug auf Chlorophyllkonzentrationen sowie den Chlorophylltyp, Carotenoid oder die Anthocyankonzentration, geben. Diese Konzentrationen können auf wichtige pflanzenphysiologische Merkmale bezogen werden, die in der Landwirtschaft als ein wichtiges Instrument zur Ernteüberwachung dienen. Die Parameter stehen im Zusammenhang mit der Pflanzengesundheit, dem Ernteertrag, der Belastung der Vegetation und vielem mehr.

Für großflächige Überwachungsmaßnahmen eignen sich Satellitendaten als Grundlage zur Bestimmung von physiologischen Parametern und Vegetationsindizes (VI). In der Regel liefern Sattelitendaten eine kleine Anzahl von Spektralbanden (sog. Multispektrale Systeme), was die Anzahl der verfügbaren Vegetationsindizes begrenzt. Genauere Untersuchungen der Vegetation erfordern den Einsatz der sogenannten schmalbandigen VI, welche nur zur Verfügung gestellt werden können, wenn hoch spektral auflösende Systeme eingesetzt werden. VIS Laborspektrometer bieten eine vollständige spektrale Auflösung für kleinere Überwachungsaufgaben, jedoch kann damit keine räumliche Verteilung der Parameter in einer Pflanze untersucht werden.

Die bildgebende VIS Hyperspektralkamera uniSPEC0.9HSI Ist gekennzeichnet durch eine hohe spektrale Auflösung in Kombination mit einer hohen Scangeschwidigkeit sowie eine hohe räumliche Auflösung. Dies ermöglicht eine großflächige Charakterisierung von Pflanzen und die Ermittlung zahlreicher Vegetationsindices unter Ausnutzung eines einzelnen Datensatzes. Im mikroskopischen Anwendungsbereich ermöglicht die räumliche Auflösung die Darstellung der Veränderung physiologischer Parameter innerhalb einer Pflanze.

Die Abbildung zeigt die hyperspektrale Analyse von Blättern. Es ist möglich spektrale Unterschiede zwischen Chlorophyll und weiteren Pigmenten zu detektieren. Dadurch kann der relative Chlorophyllgehalt ermittelt werden, um wichtige Informationen zum Zustand der Probe zu erhalten.

Fluoreszenzbasierte Mikroskopie

Auf einer kleineren räumlichen Skala haben Hyperspektralkameras ein großes Potenzial im Bereich der fluoreszenzbasierten Lichtmikroskopie. Die Erfassung des vollen breitbändigen Spektrums von einer Probe ist äußerst vorteilhaft, wenn es um den Einsatz von umweltempfindlichen Markern (z. Bsp. pH empfindliche Fluoreszenz Marker) geht oder wenn die Probe starken Eigenfluoreszenzhintergrund aufweist (in solchen Fällen sind Auswertungsmethoden wie z.B. Spectral Unmixing erforderlich). 

Die Erfassung eines hoch-aufgelösten Spektrums mit gängigen spektroskopischen Mikroskopiesystemen erfordert einen großen Zeitaufwand. Die lange Aufnahmezeit erfordert eine absolute Stabilität des Messaufbaus, um Artefakte zu vermeiden. Außerdem kann die dauerhafte Beleuchtung der Probe zum Bleichen des Fluoreszenz-Markers führen, was zur Bildung toxischer Nebenprodukte führen kann. Mithilfe einer Hyperspektralkamera als Detektor kann die gesamte spektrale Information einer Probe in einem Frame aufgenommen werden. Dadurch werden Erfassungszeit und Lichtschäden auf der Probe drastisch gesenkt.