Hyperspektrale Bildverarbeitung erobert die Industrie

Herkömm­liche Bild­ver­ar­beitungssys­teme haben sich in indus­triellen Anwen­dun­gen in den ver­gan­genen Jahren als feste Größe in der Automa­tisierung entwick­elt. Sehende Maschi­nen kön­nen mehr als Anla­gen ohne Bild­ver­ar­beitung, diese Erken­nt­nis hat sich bei Entwick­lern und Kon­struk­teuren mit­tler­weile durchge­set­zt. Während übliche 2D- und 3D-Vision-Sys­teme die Qual­ität von Objek­ten über­prüfen, indem sie bes­timmte Fehler­merk­male an der Ober­fläche erken­nen, geht die hyper­spek­trale Bild­ver­ar­beitung (HSI: Hyper­spec­tral Imag­ing) noch einen Schritt weit­er: Mit Hil­fe dieser Tech­nolo­gie kann eine spek­troskopis­che Analyse von Objek­ten erfol­gen, um organ­is­che oder anor­gan­is­che Verun­reini­gun­gen festzustellen – und zwar nicht nur an der Ober­fläche, son­dern teil­weise auch im Inneren der inspizierten Materialien.

Hyper­spek­trale Bild­ver­ar­beitungssys­teme nutzen meist 100 oder mehr ver­schiedene Wellen­län­gen und ver­wen­den dazu einen Spek­tro­graphen, der das vom Objekt reflek­tierte Licht in sein Spek­trum zer­legt und auf den Sen­sor der einge­set­zten Kam­era abbildet. Die auf diese Weise entste­hen­den Bilder set­zt ein HSI-Sys­tem zu einem drei­di­men­sion­alen hyper­spek­tralen Daten­wür­fel zusam­men, der sehr große Daten­men­gen enthal­ten kann. Als Ergeb­nis entste­ht dadurch ein „chemis­ch­er Fin­ger­ab­druck“ des betra­chteten Objek­ts, der eine genaue Bes­tim­mung der vor­liegen­den Mate­ri­aleigen­schaften ermöglicht. Mit Hil­fe ein­er speziellen Auswerte­soft­ware kann im Anschluss jed­er erkan­nte chemis­che Bestandteil mit ein­er eige­nen Farbe in den aufgenomme­nen Bildern gekennze­ich­net wer­den, um dem Anwen­der die vor­liegen­den Stoffe auf ein­fache Weise zu visu­al­isieren. Die dabei einge­set­zte Tech­nolo­gie nen­nt sich Chem­i­cal Colour Imag­ing (CCI).

Vielfältige Anwendungen

„Hyper­spek­trale Bild­ver­ar­beitung kann in unter­schiedlich­sten indus­triellen Anwen­dungs­bere­ichen einge­set­zt wer­den und bietet in bes­timmten Fällen Lösun­gen für Auf­gaben, an denen übliche Bild­ver­ar­beitungssys­te­men scheit­ern“, erläutert Markus Burgstaller, Geschäfts­führer des Graz­er Unternehmens Per­cep­tion Park, das sich vor eini­gen Jahren auf diese inno­v­a­tive Tech­nolo­gie spezial­isiert hat. Als ein Anwen­dungs­beispiel nen­nt Burgstaller die Klas­si­fizierung von Stof­fen, die optisch kein­er­lei Unter­schiede aufweisen, chemisch jedoch nicht iden­tisch sind: „Kun­st­stoffe ver­schieden­ster Zusam­menset­zung kön­nen sehr ähn­lich ausse­hen und sind daher mit herkömm­lich­er Bild­ver­ar­beitung kaum zu unter­schei­den. HSI-Sys­teme analysieren hinge­gen die chemis­chen Eigen­schaften und erken­nen die Mate­ri­alien daher sehr sich­er. Auch die Konzen­tra­tion und Verteilung von Inhaltsstof­fen lässt sich mit dieser Tech­nolo­gie weit­ge­hend und in Echtzeit erfassen.“

Eine Beson­der­heit von Hyper­spek­tral­sys­te­men macht sie für bes­timmte Anwen­dungs­fälle beson­ders attrak­tiv: Einige Stoffe sind für sicht­bares Licht nicht trans­par­ent, kön­nen aber von Infratrot-Licht durch­drun­gen wer­den. Dadurch wird es möglich, die chemis­che Zusam­menset­zung von ver­pack­ten Inhal­ten selb­st durch eine entsprechend aus­gelegte Ver­pack­ung hin­durch zu prüfen. Anwen­dun­gen, in denen diese Eigen­schaft zum Tra­gen kommt, find­en sich nach Burgstallers Aus­sage vor allem in der Phar­ma- und der Lebens­mit­telin­dus­trie, aber auch in zahlre­ichen anderen indus­triellen Segmenten.

Fehlererkennung in der Pharmaindustrie

Wie in vie­len anderen Bere­ichen nehmen die Pro­duk­tion­s­geschwindigkeit­en in der Phar­main­dus­trie weltweit ras­ant zu. Um das Risiko von Pro­duk­trück­rufen zu ver­ringern und Ver­brauch­er vor kon­t­a­minierten Arzneimit­teln zu schützen, gel­ten in dieser Branche beson­ders strenge Sicher­heitsvorschriften. Bild­ver­ar­beitungssys­teme sind bei der Her­stel­lung von phar­mazeutis­chen Pro­duk­ten daher bere­its seit einiger Zeit Stand der Tech­nik, um Pro­duk­te in Echtzeit nach Kri­te­rien wie Form, Größe oder Gewicht zu bew­erten. Durch den Ein­satz von hyper­spek­tralen Bild­ver­ar­beitungs- und CCI-Sys­te­men kann die Überwachung von Pharmapro­duk­tion­sprozessen jedoch noch weit­er opti­miert wer­den: Phar­mazeu­ti­ka lassen sich damit zu 100% auf ihre moleku­laren Eigen­schaften hin untersuchen.

Ein typ­is­ch­er Anwen­dungs­fall von HSI-Sys­te­men in der Phar­main­dus­trie ist die Über­prü­fung von Retard-Tablet­ten auf kor­rek­te Beschich­tung. Diese Medika­menten­form gibt den Wirk­stoff nach sein­er Verabre­ichung über einen län­geren Zeitraum oder an ein bes­timmtes Ziel im Kör­p­er ab. Entschei­dend für diese kon­trol­lierte Abgabe des Wirk­stoffs ist die Retard-Beschich­tung der Tablette: Ist sie beschädigt oder fehlt kom­plett, so gelangt die Arznei schneller als gewün­scht in den Kör­p­er und ver­fehlt seine Langzeitwirkung.

Mit ein­er Kom­bi­na­tion aus HSI- und CCI-Tech­nolo­gie lässt sich die Qual­ität von Retard-Medika­menten sich­er kon­trol­lieren, erläutert Markus Burgstaller: „Mit ein­er im NIR-Bere­ich arbei­t­en­den Hyper­spek­tralka­m­era und der Anwen­dung der Chem­i­cal Col­or Imag­ing-Tech­nolo­gie mit unser­er Soft­ware-Suite Per­cep­tion STUDIO kon­nten wir ein­deutig nach­weisen, dass zuvor kün­stlich erzeugte Beschich­tungs­fehler mit 100% Sicher­heit und auch in der Hochgeschwindigkeit­spro­duk­tion in Echtzeit erkennbar sind.“ Selb­st durch Blis­ter­ver­pack­un­gen hin­durch ist diese Qual­ität­sprü­fung möglich, sofern das Blis­ter­ma­te­r­i­al nicht aus Alu­mini­um beste­ht, das die NIR-Strahlung reflek­tieren würde.

Laut Burgstaller ist die Prü­fung von Retard-Beschich­tun­gen nur eine von vie­len Anwen­dungsmöglichkeit­en der HSI-Tech­nolo­gie in der Phar­main­dus­trie. Mit ihr lässt sich außer­dem sich­er kon­trol­lieren, ob Tablet­ten in kor­rek­ter Zahl, unbeschädigt und ohne Fremd­kör­p­er in Blis­ter ver­packt sind, ob die richti­gen Inhaltsstoffe in Arzneimit­telka­pseln enthal­ten sind oder ob diese voll­ständig ver­schlossen sind. „Hyper­spek­trale Bild­ver­ar­beitung bietet zahlre­iche Ein­sat­zop­tio­nen im Bere­ich Phar­ma und erhöht damit die Sicher­heit für Patien­ten und Hersteller.“