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Blick in die Molekularebene

Entwicklung
Blick in die Molekularebene

Blick in die Molekularebene
Die hyperspektralaufnahme einer menschlichen Hand macht die Blutgefäße sichtbar Bild: Stemmer Imaging
Visualisierung | Die 3D-Bildverarbeitung arbeitet mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum und kann daher Objekte, die sich äußerlich sehr ähnlich sehen, nicht immer klar unterscheiden. Auf Basis von Chemical Colour Imaging ermöglichen Hyperspektral-Bildverarbeitungssysteme nun auch tiefere Einblicke – bis ins Molekül.

Moderne 3D-Bildverarbeitungssysteme mit Farbkameras erzeugen hochpräzise räumliche Bilder der untersuchten Objekte. Allerdings sind die Systeme ausgelegt auf die Analyse von Oberflächen – und finden ihre Grenzen immer dann, wenn die zu untersuchenden Objekte eine unterschiedliche molekulare Struktur besitzen oder gar einem Veränderungsprozess unterliegen. Ersteres ist beispielsweise bei der Trennung von Kunststoffen im Recycling der Fall, während etwa im Lebensmittelbereich der Reifegrad von Früchten und möglicher Schimmelbefall eine große Rolle spielen.

Solche Informationen können nur mit Hyperspektralkameras gewonnen werden, denn anhand ihrer chemischen Eigenschaften hinterlassen Objekte mit ihrer spektralen Signatur einen einzigartigen „Fingerabdruck“. Diese spektralen Signaturen ermöglichen eine Materialerkennung durch die Molekülstruktur einzelner Objekte.
Allerdings war hyperspektrale Kameratechnologie bislang noch nicht flächendeckend im industriellen Umfeld anwendbar. „Ein Grund dafür ist, dass die Entwicklung hyperspektraler Applikationen bisher nur Experten der Spektroskopie und Chemometrie vorbehalten war“, erklärt Markus Burgstaller, Geschäftsführer bei Perception Park. Das Unternehmen mit Sitz in Graz/Österreich hat sich auf Hyperspectral Imaging für die Industrie spezialisiert und entwickelte gemeinsam mit der Stemmer Imaging GmbH, Puchheim, eine Lösung für hyperspektrale Bildverarbeitung. Burgstaller: „Viele Anwendungsversuche scheitern bislang daran, dass die Farbbildverarbeitungssysteme bestehender Maschinen in der Regel nicht in der Lage sind, hyperspektrale Kameras sinnvoll zu integrieren.“
Chemical Colour Imaging (CCI) ermöglicht nun, dass chemische Eigenschaften von Objekten mittels Bildverarbeitung in Echtzeit bewertet werden können. Die Vorteile der Spektroskopie werden dabei in einem holistischen Ansatz mit denen der industriellen Bildverarbeitung zusammengeführt. „Kernelement von CCI ist die Extraktion von zweidimensionalen Feature-Bildern, den Chemical Colour Images, aus komplexen, multidimensionalen Hyperspektral-Daten. In diesen Feature-Bildern werden dem Anwender die gesammelten, ortsaufgelösten, spektroskopischen Informationen in Farbe kodiert dargestellt“, so Burgstaller. Durch den Einsatz von CCI erscheint die hyperspektrale Kamera im System des Anwenders also wie eine Farbkamera. Und die Farben (Chemical Colours) spiegeln die molekularen Eigenschaften der untersuchten Objekte wider.
Ein besonderer Vorteil der Bildverarbeitung liegt dabei darin, dass keine Klassifikation, sondern eine gezielte Reduktion der spektroskopischen Information hin auf interpretierbare chemische Eigenschaften stattfindet. Perception Park hat mit dem Perception-System eine generische, intuitiv konfigurierbare Datenverarbeitungsplattform entwickelt, die wissenschaftliche Methoden gekapselt zur Verfügung stellt und für jedermann intuitiv zugänglich macht.
Für die Unternehmen bedeutet CCI eine größere Unabhängigkeit von externen Technologielieferanten. Auch im Medizinbereich gibt es erste Versuche: „Es ist bereits gelungen, mit CCI und einem Hyperspektral-Aufbau eine menschliche Hand aufzunehmen und die darin befindlichen Blutgefäße sichtbar zu machen“, bestätigt Markus Burgstaller. Auch die 100-%-Kontrolle von Arzneistoffen in Medikamenten ist durch die Verwendung hyperspektraler Systeme direkt in der Produktionslinie möglich. Dadurch soll sich eine vollständige Kontrolle in der laufenden Produktion ohne Verzögerungen in der Produktionsgeschwindigkeit gewährleisten lassen. (su) ■
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