Un nuovo spettrometro palmare wireless abbinato ad uno smartphone è in grado di raccogliere immagini spettrali 3D del corpo e di oggetti di uso quotidiano. Il dispositivo ha la forma di una matita e si è rivelato utile per la diagnostica point-of-care da remoto.
Cosa sono le immagini spettrali? Sono immagini che contengono maggiori informazioni cromatiche rispetto a quelle ottenute dalla classica fotocamera. Sono in grado di rivelare caratteristiche di tessuti ed altri campioni biologici che l’occhio nudo non può vedere. Si può applicare per rilevare la saturazione dell’ossigeno nel sangue, stabilire il grado di freschezza della carne in un negozio di alimentari oppure identificare lo stato di maturazione perfetta di un frutto.
Lo spettrometro palmare wireless potrebbe facilitare anche l’acquisizione di dati spettrali nel campo degli studi scientifici.
Attraverso una pubblicazione nella rivista Biomedical Optics Express della Optical Society (OSA) i ricercatori descrivono come realizzare il nuovo spettrometro palmare wireless dimostrando la sua capacità di acquisire immagini spettrali di banane, un maiale o la mano di una persona. Il nuovo dispositivo può rilevare contemporaneamente lunghezze d’onda da 400 a 676 nanometri a 186 spot.
“Il modo più semplice per usare uno spettrometro è quello di passarlo sulla parte del corpo o dell’oggetto preso in esame” ha affermato il primo Fuhong Cai dell’Università di Hainan, in Cina. “Molti spettrometri portatili fatti in casa utilizzano la telecamera dello smartphone per acquisire dati ed il supporto del telefono che contiene altre ottiche necessarie. Il supporto può essere difficile da allineare correttamente e può rendere complicato lo spostamento dello smartphone sul corpo“.
Di conseguenza, piuttosto che utilizzare la telecamera dello smartphone per acquisire immagini, il nuovo spettrometro utilizza una telecamera complementare, un semiconduttore ad ossido metallico capace di trasmettere wireless (senza fili) immagini ad uno smartphone.
Questa tecnica ha permesso ai ricercatori di assemblare un dispositivo cilindrico di immagini spettrali del peso di soli 140 grammi riferito alla lunghezza dello smartphone e poco più di 3 centimetri di diametro.
Lo spettrometro palmare wireless utilizza tutti componenti disponibili in commercio che possono essere acquistati per meno di $ 300 (USD). La sorgente luminosa è una sorgente di LED bianchi che si collega ad un tubo ottico di serie con il rilevatore CMOS ed altri componenti ottici necessari per l’imaging spettrale.
Lo spettrometro si usa spostandolo manualmente lungo l’area di destinazione. Questo processo di scansione manuale a spinta crea una serie di immagini spettrali che vengono inviate ad uno smartphone o ad un computer il cui software le raccoglie all’interno di un cubo dati di immagini spettrali in 3D.
I ricercatori hanno testato lo spettrometro per individuare il grado di maturazione di una banana ed i livelli di mioglobina (la proteina contenente ferro che conferisce alla carne il suo colore) presenti in un pezzo di maiale. Lo hanno usato anche per analizzare la mano di una persona ottenendo un video di 16 secondi contenente 200 immagini spettrali. Dalle immagini spettrali in 3D, i ricercatori hanno potuto distinguere cinque dita ed il palmo individuando differenze nella distribuzione dell’emoglobina in varie parti della mano.
I ricercatori sono anche interessati ad utilizzare il loro spettrometro di imaging compatto per il monitoraggio ambientale. “Stiamo sviluppando fotocamere spettrali che potrebbero essere utilizzate in una vasta gamma di indagini oceaniche, come la rilevazione di materia organica disciolta in acqua o pigmenti che indicano i primi segni di fioriture algali dannose” ha spiegato Cai “Poiché lo spettrometro di immagini può collegarsi a qualsiasi tipo di fotocamera, stiamo anche esaminando l’idea di collegarla alla telecamera di un veicolo autonomo per creare un sistema di rilevamento remoto dell’oceano“.
Si può realizzare il prototipo utilizzando componenti disponibili in commercio. Chiunque potrebbe assemblare lo spettrometro palmare wireless ma costruirlo in questo modo pone dei limiti sulla risoluzione e sulla sensibilità del dispositivo. Ad esempio, il prototipo può rilevare soltanto lunghezze d’onda che si differenziano per almeno 17 nanometri.
“Prevediamo miglioramenti significativi della risoluzione spettrale utilizzando una videocamera migliorata con una maggiore lunghezza focale” ha dichiarato Dan Wang dell’Università di Tecnologia Chimica di Pechino, membro del team di ricerca. “Questi miglioramenti potrebbero ampliare le applicazioni del dispositivo“.
I ricercatori intendono sviluppare software per rendere il visualizzatore spettrale ancora più utile. “Vogliamo sviluppare nuovi modi per utilizzare algoritmi di machine learning per analizzare le enormi quantità di dati che potrebbero essere raccolte grazie a questo strumento portatile“. E’ quanto afferma Sailing He della Zhejiang University in Cina, altro membro del team di ricerca. “Vogliamo anche creare software per smartphone che utilizzino dati di imaging spettrale per misurare, ad esempio, la freschezza della carne“.
Un esempio di Spettrometro per Smartphone:
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