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FireflEYE MiKroskopie

Hyperspektrale Mikroskopie

Der medizinische Sektor, insbesondere die Pathologie, ist eines unserer Hauptinteressengebiete. Hyperspektrale Bildgebung ermöglicht die Entwicklung innovativer Techniken wie neuer Methoden zur Krebsdiagnose. Dies führt zu schnelleren und kostengünstigeren Diagnosen, beschleunigt Operationen und verkürzt die Zeit, die Patienten unter Anästhesie bleiben müssen, während sie auf die Ergebnisse des Pathologen warten.

Da unsere Kameras nicht vor der Montage der Optiken kalibriert werden können, war die Anpassung an ein Mikroskop möglich, aber recht kompliziert. Die Kamera musste am Mikroskop montiert werden, und die endgültige Kalibrierung musste vor Ort durchgeführt werden, was oft bedeutete, dass die Kalibrierungsbedingungen nicht ideal waren.

Entwicklung von Relaisoptiken

Durch die Entwicklung einer Relaislinse für die hyperspektrale FireflEYE haben wir diesen Nachteil überwunden. Die Kamera und die Relaislinse werden in unseren Einrichtungen zusammengebaut und direkt nach unseren hohen Qualitätsstandards kalibriert.
Mit der Relaislinsenerweiterung bieten wir unseren Kunden volle Flexibilität, sodass sie die Kamera sofort verwenden können (Plug-and-Play) – sei es, dass sie an einem Mikroskop montiert, mit einem unserer herkömmlichen Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten verwendet oder sogar an spezielle Optiken mit C-Mount angeschlossen wird.

Hinzufügen von Nahaufnahmelinsen

Nach weiteren Designstudien stellten wir fest, dass die Verwendung eines Standardobjektivs in Kombination mit Nahvorsatzlinsen, ebenfalls von Schneider-Kreuznach, effektiv war. Wir verwendeten das Objektiv mit dem kleinsten verfügbaren Sichtfeld, nämlich das 50-mm-Objektiv mit einem 6,5° Sichtfeld. Mit einem Montageadapter auf dem 50-mm-Objektiv kann eine Nahlinse hinzugefügt werden, was direkt zu einer Spotgröße im Millimeter- bis Zentimeterbereich führt.
Der Vorteil dieser Lösung für den Kunden ist erheblich. Es ist nun möglich, verschiedene Nahlinsen individuell hinzuzufügen, um spezifische Anforderungen an die Spotgröße im makroskopischen Bereich zu erfüllen. Die Genauigkeit der Kamera wird nicht beeinträchtigt, da sie in unserem Labor mit dem 50-mm-Objektiv kalibriert wurde und die Transmission der Nahlinsen nahezu 100 % beträgt.

Erster Prototyp der Relaislinse, angebracht an der FireflEYE.
Erster Prototyp der Relaislinse angebracht an der FireflEYE.

Um zu demonstrieren, wie einfach die Arbeit mit der Kamera ist, haben wir die Relaislinse am C-Mount-Adapter eines Zeiss Axiophot befestigt, das uns vom ILM (Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik), einem Forschungsinstitut in Ulm, zur Verfügung gestellt wurde. Vom Start – dem Anbringen der Kamera am Mikroskop – bis zur ersten Messung vergingen nur wenige Minuten, und wir erhielten ein scharfes Bild mit einem Reichtum an Details.

Das Erfassen von Reflexionswerten ist sogar noch einfacher als in anderen Messumgebungen. Durch die einfache Verwendung des Mikroskops im Durchlichtmodus, anstatt die Lichtquelle von oben auf die Probe strahlen zu lassen, kann die Kamera weißkalibriert werden, indem ein Bild ohne eine darauf befindliche Probe aufgenommen wird. Während das Licht durch die Probe hindurchtritt, trägt das durchgelassene Signal die relevanten Informationen aufgrund der spezifischen Absorptionsmerkmale innerhalb der Probe. Mit diesem Aufbau erzielen wir hervorragende Ergebnisse bei einer Integrationszeit von nicht mehr als 0,1 ms.

FireflEYE 185 angebracht an einem Zeiss Axiophot.
FireflEYE 185 angebracht an einem Zeiss Axiophot.

Histologische Analyse

Wir haben eine histologische Schnittprobe von Schweinehaut, die auf einem Hühnerei kultiviert wurde, analysiert. Unter dem Mikroskop zeigt die Probe eine komplexe Struktur mit verschiedenen Farben. Die Abbildung zeigt auf der linken Seite ein farbiges Infrarotbild (CIR) der Schweinehaut-Histologie, während auf der rechten Seite die spektrale Reflexion aller Pixel innerhalb der entsprechenden Rechtecke mit derselben Farbe im Bild zu sehen ist. Da das Axiophot über einen NIR-Filter für Wellenlängen über 750 nm verfügt, ist der Spektralbereich auf diesen Wert begrenzt.

Hyperspektralkamera von Cubert analysiert ein Bild

Visualisierung verborgerner Details

Die unterschiedlichen Farben resultieren aus den angewendeten Färbemethoden, die dazu dienen, verschiedene Merkmale der histologischen Probe sichtbar zu machen: koagulierte Bereiche aufgrund des Laserschnitts, gesunde Haut, Haarfollikel, Blutgefäße und Erythrozyten.

Die Analyse des hyperspektralen Bildes der Proben ermöglicht es dem Benutzer, verborgene Merkmale zu extrahieren, sie durch unterschiedliche Kanaleinstellungen in einem RGB-Ausgang zu visualisieren und sogar die Ergebnisse automatisch zu quantifizieren, beispielsweise mithilfe von maschinellem Lernen. Im Folgenden sind zusätzliche Beispiele für histologische Messungen aufgeführt, die mit der hyperspektralen FireflEYE 185 durchgeführt wurden.

Haarfollikel (CIR)
Haarfollikel (CIR)
Gesunde Hautzellen mit Versorgungsgefäßen und Zellkernen (CIR)
Gesunde Hautzellen mit Versorgungsgefäßen und Zellkernen (CIR)
Kollagen- und retikuläres Netzwerk in Lila, Zytoplasma und Muskelgewebe in Grau/Rosa, Blutgefäß mit Erythrozyten in Gelb (CIR).
Kollagen- und retikuläres Netzwerk in Lila, Zytoplasma und Muskelgewebe in Grau/Rosa, Blutgefäß mit Erythrozyten in Gelb (CIR).
Dasselbe Blutgefäß und Erythrozyten, dargestellt in einer anderen CIR-Bandkombination und vergrößert.
Dasselbe Blutgefäß und Erythrozyten, dargestellt in einer anderen CIR-Bandkombination und vergrößert.
Matthias Locherer, Sales Director von Cubert, einem Hersteller von Hyperspektralkameras

Über den Autor

Dr. Matthias Locherer ist seit 2017 Sales Director bei Cubert GmbH. Mit einem PhD in Erdbeobachtung von der Ludwig-Maximilians-Universität München bringt er umfangreiche Expertise in der Fernerkundung, spektraler Bildgebung und Datenanalyse mit. Matthias hat an verschiedenen Forschungsprojekten und Publikationen mitgewirkt, insbesondere im Bereich der hyperspektralen Überwachung biophysikalischer und biochemischer Parameter mit hyperspektralen Satellitenmissionen. Seine fundierten Kenntnisse in optischer Messtechnik und physikalischer Modellierung machen ihn zu einem wichtigen Treiber für die Weiterentwicklung innovativer hyperspektraler Technologien bei Cubert.