Summary
Un dual-mode sistema di imaging è stato sviluppato per i non-contatto valutazione di ossigenazione dei tessuti cutanei e la funzione vascolare.
Abstract
Valutazione accurata di ossigenazione dei tessuti cutanei e la funzione vascolare è importante per la rilevazione del caso, messa in scena, e il trattamento di molti disturbi di salute, come le lesioni croniche. Riportiamo lo sviluppo di un dual-mode sistema di imaging per l'imaging non invasiva e senza contatto di ossigenazione dei tessuti cutanei e la funzione vascolare. Il sistema di imaging integrato una telecamera a infrarossi, una camera CCD, un filtro sintonizzabile a cristalli liquidi e una fonte di fibra ad alta intensità luminosa. Una interfaccia Labview è stato programmato per il controllo di apparecchiature, la sincronizzazione, acquisizione delle immagini, elaborazione e visualizzazione. Immagini multispettrali acquisite dalla fotocamera CCD sono stati utilizzati per ricostruire la mappa ossigenazione dei tessuti. Dinamica immagini termografiche catturato dalla telecamera a infrarossi sono stati utilizzati per ricostruire la mappa vascolare funzione. Ossigenazione dei tessuti cutanei e le immagini la funzione vascolare sono stati co-registrati attraverso marcatori fiduciari. Le caratteristiche di prestazione del sistema dual-mode immagine sono stati testati sugli esseri umani.
Protocol
1. Mappatura ossigenazione dei tessuti da immagini multispettrali
Un centro completo delle ferite (CWC) dual-mode sistema di imaging, di seguito denominato sistema CWC, è stato sviluppato presso l'Ohio State University per l'imaging multispettrale di ossigenazione dei tessuti cutanei e immagini termografiche della funzione vascolare. L'ampio divario seconda tecnica spettroscopica derivati è stata utilizzata per ricostruire le mappe ossigenazione dei tessuti basati su immagini multispettrali 1. In questo studio, un soggetto sano seduto con l'avambraccio sinistro appoggiato su un piano di lavoro. Una parte dell'avambraccio all'interno del campo di vista del sistema CWC è stato dipinto con inchiostro di china (1% sciolto in etanolo) per imitare i colori della pelle diversi. Immagini multispettrali sono state acquisite ed una mappa ossigenazione è stata ricostruita sulla base del divario ampio spettro derivata seconda. La mappa ossigenazione ricostruito stata confrontata con quella acquisita da un commerciali Hypermed OxyVu iperspettrali sistema di misura l'ossigenazione dei tessuti.
Risposte di ossigeno del tessuto di occlusione vascolare sono state studiate sullo stesso argomento a seguito di un protocollo di post-occlusiva iperemia reattiva (PORH) 2. Prima della prova PORH, sistolica del soggetto e la pressione diastolica sono state registrate da un polsino di pressione collocato sul braccio sinistro. Il protocollo PORH consisteva in una pre-occlusiva periodo basale di due minuti, un occlusione suprasystolic (sistolica + 50 mm Hg) durata di due minuti, e un periodo iperemia reattiva di due minuti. Immagini multispettrali sono state acquisite a quattro lunghezze d'onda (cioè, 530nm, 550nm, 570nm e 590nm) durante il test PORH alla velocità di campionamento di 0,75 secondi per ogni lunghezza d'onda. Profonda saturazione di ossigeno del tessuto cutaneo e tensione di ossigeno del tessuto sullo stesso braccio sono stati simultaneamente registrato da uno spettrofotometro tessuto OxiplexTS (ISS Inc., Urbana Champaign, Illinois) e di un monitoraggio di ossigeno transcutanea TCM (Radiometer, Danimarca) rispettivamente.
2. Mappatura funzione vascolare da immagini dinamiche termografiche
Immagini dinamiche termografica è stata dimostrata su un soggetto sano con lo stesso sistema CWC. Il soggetto comodamente mentito su un tavolo in posizione supina, con il braccio sinistro appoggiato su un bancone e il dorso della mano sinistra rivolto verso la telecamera a infrarossi del sistema CWC. Un laser Doppler sonda è stata posta sulla punta delle dita della stessa mano per il monitoraggio continuo della perfusione pelle delle dita. Un bracciale per la pressione è stata immessa sul braccio sinistro di produrre diversi livelli di occlusione. Prima dell'esperimento, il soggetto è stato chiesto di riposare per almeno 10 minuti, con la pressione sistolica e diastolica registrati dal bracciale di pressione. Dinamica immagini termografiche sono stati catturati ai seguenti livelli di pressione della cuffia: non occlusione, 0,5 x la pressione sanguigna diastolica, 0,5 x (pressione diastolica + pressione sistolica) e 1,5 x pressione arteriosa sistolica. Ad ogni livello di pressione del bracciale, una stimolazione termica è stata introdotta mettendo un sacchetto di acqua a temperatura ambiente (25 ° C) sulla mano sinistra per 30 secondi. Subito dopo la rimozione della stimolazione termica, le immagini termografiche mano sinistra sono state acquisite ad una velocità di 2 fotogrammi / secondo e la perfusione pelle delle dita è stata registrata dal laser Doppler sonda alla velocità di campionamento di 10 Hz. L'intervallo di tempo tra le prove era di 10 min. La posizione della mano sinistra è stato segnato in anticipo in modo che le misurazioni successive sono stati nella stessa posizione. Funzioni di tessuto vascolare a livelli diversi occlusione sono stati valutati calcolando sia la risposta alla temperatura e l'indice di funzione vascolare. L'indice di funzione vascolare è stato definito come il rapporto tra la radice quadrata del tempo dopo stimolazione termica e la variazione di temperatura corrispondente.
3. Co-registrazione tra l'ossigenazione dei tessuti e mappe funzione vascolare
La mappa della funzione vascolare del tessuto cutaneo acquisita da immagini dinamiche termografici e la mappa di ossigenazione dei tessuti cutanei acquisita da immagini multispettrali sono stati co-registrata da un algoritmo di imaging avanzato. Quattro marcatori fiduciario, con contestuale contrasti termici e ottici, sono stati immessi sul tessuto biologico per facilitare l'immagine co-registrazione. Attualmente il protocollo per la co-registrazione l'immagine ottica (e la mappa ossigenazione) con l'immagine termica (e la mappa la funzione vascolare) comprende le seguenti fasi principali: 1) trasformare tutte le immagini a scala di grigi e di normalizzare i valori di intensità dei pixel compresi tra 0 e 1, 2) per la foto ottica, identificare il primo piano (pelle), regione che ha alti valori di intensità dei pixel rispetto alla soglia di empirico globale (0,8 volte il valore di intensità media di tutta l'immagine), i piccoli fori nella regione di primo piano sono stati riempito utilizzando l'operazione morfologica stretta, 3) identificare le regioni marcatore fiduciario, come le regioni più scure in primo piano la cui intensità valori sono al di sotto sia del g lobal soglia e la soglia adattiva locale definita dai valori dei pixel medio nel 20-da-20 di pixel. La soglia adattiva locale ci ha permesso di ospitare la variazione di illuminazione; 4) affinare le regioni marcatore fiduciario usando operazioni morfologiche per rimuovere il rumore ed i picchi, i centroidi delle quattro regioni sono stati selezionati come punti di controllo nella foto ottica; 5) ripetere i passaggi simili a identificare le regioni marcatore a immagine termica; 6) corrispondere le due serie di punti di controllo basati sulla prossimità (dato che le due telecamere sono state posizionate a stretto contatto), 7) calcolare una trasformazione affine tra le due immagini con l'immagine termica come riferimento e trasformare la foto ottica e la mappa di ossigeno (che si ottiene da una macchina come la foto ottica) in modo corrispondente; 8) infine generare le immagini sovrapposte per la visualizzazione.
4. Rappresentante dei risultati:
I risultati rappresentativi del protocollo di ossigenazione (per esempio, # 1) sono l'ossigenazione dei tessuti cutanei mappe ricostruite sulla base di spettroscopia gamma divario derivata seconda. Il metodo di spettroscopia gamma divario derivata seconda effettivamente ridotto gli artefatti di misura causati dall'assorbimento del tessuto di fondo in modo che la misura ossigenazione cutanea è stata meno colpita dai cambiamenti simulati colore della pelle. Abbiamo anche dimostrato un protocollo PORH dove la mappa ossigenazione dei tessuti cutanei, l'ossigenazione dei tessuti profondi, e la tensione di ossigeno del tessuto cutaneo sono stati registrati simultaneamente.
I risultati rappresentativi del protocollo di funzione vascolare (ad esempio, # 2) includono la distribuzione della temperatura del tessuto cutaneo, il tessuto cutaneo variazioni di temperatura in risposta alla stimolazione termica esterna, e il cutaneo mappe indice tessuto vascolare derivata da immagini dinamiche termografica. Le correlazioni sono state osservate tra le immagini termografiche di indice vascolari cutanee dei tessuti e la misurazione laser Doppler della perfusione tessutale cutanea.
I risultati rappresentativi per la co-registrazione del protocollo (cioè, # 3) indicano la mappa ossigenazione dei tessuti, la mappa indice vascolare, e la fusione tra immagine fotografica, l'ossigenazione, e le immagini indice vascolare co-registrate dalla multi-contrasto marcatori fiduciario.
Figura 1. CWC dual-mode per la configurazione del sistema senza contatto imaging di ossigenazione dei tessuti e la funzione vascolare. Il sistema è stato installato su un carrello mobile. Si trattava di una telecamera a infrarossi termica, una camera CCD, un filtro sintonizzabile a cristalli liquidi, e una fonte di luce a banda larga. Un computer è stato utilizzato per sincronizzare le attività di raccolta dati, analisi e visualizzazione.
Figura 2. Interfaccia software per il sistema CWC. L'interfaccia del software è stato programmato in ambiente Labview. In alto a sinistra dell'interfaccia è il pannello di controllo per la configurazione hardware e calibrazione del sistema. Sulla destra dell'interfaccia è la visualizzazione in tempo reale della mappa temperatura del tessuto acquisiti dalla telecamera a infrarossi. Nella parte inferiore dell'interfaccia sono le misurazioni laser Doppler della perfusione tessutale cutanea.
Figura 3. Interfaccia software per il sistema CWC (Cont.). Si tratta di una finestra pop-up per visualizzare i parametri di ossigenazione dei tessuti. Sulla sinistra è la mappa ossigenazione dei tessuti ricostruiti dalle immagini multispettrali. Il lato destro dell'interfaccia mostra i seguenti parametri di ossigenazione dei tessuti dal basso in alto: (1) l'ossigenazione dei tessuti cutanei media selezionati da una regione di interesse (ROI) nella mappa ossigenazione dei tessuti, (2) l'ossigenazione dei tessuti profondi monitorato da un ossimetro tessuto OxplexTS , (3) tensione di ossigeno del tessuto cutaneo monitorato da un monitoraggio di ossigeno transcutanea TCM.
Figura 4. Ossigenazione dei tessuti cutanei immagini da un sistema di imaging OxyVu. La figura di sinistra è una scala di grigi del tessuto cutaneo. Uno strato di inchiostro fu dipinta sulla pelle per simulare il colore della pelle. La mappa di ossigenazione dei tessuti cutanei acquisiti dal sistema OxyVu è mostrato a destra. Due di forma quadrata regioni di interesse (ROI) sono stati selezionati all'interno e all'esterno l'inchiostro dipinti a zona, rispettivamente. Per il ROI nel inchiostro dipinti a zona, la media di ossigenazione dei tessuti cutanei era 62,8 ± 11,0%. Per il ROI al di fuori del dipinto ink-zona, la media di ossigenazione dei tessuti cutanei era 44,0 ± 11,0%. Una differenza del 18,8% è stata osservata per le misurazioni ossigenazione dei tessuti cutanei dentro e fuori l'inchiostro dipinti a zona cutanea.
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Figura 5. Ossigenazione dei tessuti cutanei immagini dal sistema CWC. Le immagini multispettrali sono stati catturati dal sistema CWC nella posizione stessa pelle sullo stesso argomento come quello in Figura 4. La figura a sinistra è l'immagine singola lunghezza d'onda del tessuto cutaneo e la figura a destra è la ricostruzione del tessuto cutaneo mappa ossigenazione. Uno strato di inchiostro era dipinto sulla pelle con la concentrazione inchiostro lo stesso di quello in Figura 4. . Due di forma quadrata regioni di interesse (ROI) sono stati selezionati all'interno e all'esterno l'inchiostro dipinti a zona, rispettivamente. Per il ROI nel inchiostro dipinti a zona, la media di ossigenazione dei tessuti cutanei era 60,9 ± 6,9%. Per il ROI al di fuori del dipinto ink-zona, la media di ossigenazione dei tessuti cutanei era 65,8 ± 5,5%. Una differenza di 4,9% è stata osservata per le misurazioni ossigenazione dei tessuti cutanei dentro e fuori l'inchiostro dipinti a zona cutanea.
Figura 6. L'effetto dei cambiamenti simulati colore della pelle sulla affidabilità delle misurazioni ossigenazione dei tessuti cutanei. Analisi statistica è stata effettuata per determinare la rilevanza delle modifiche simulato colore della pelle alle misure ossigenazione sia per il OxyVu ed i sistemi di imaging CWC. Per ogni sistema di imaging, i media ossigenazioni tessuto cutaneo sono stati calcolati dentro e fuori l'inchiostro dipinti a zone cutanee da selezionare in modo casuale 10 regioni di interesse (ROI) in ogni area. La nostra ipotesi nulla è che il cambiamento di colore della pelle non influisce sulla misurazione ossigenazione dei tessuti cutanei. Questa ipotesi nulla è stata testata utilizzando mappe ossigenazione in figura 4 (cioè, le misure OxyVu) e nella Figura 5 (cioè, le misure CWC) rispettivamente. Student t-test mostrano che il valore di p per le misurazioni OxyVu è molto inferiore a 0,001, il che implica che l'ipotesi nulla viene rifiutata. Pertanto, il cambiamento di colore della pelle influisce sulla ossigenazione dei tessuti cutanei misure in un sistema di imaging OxyVu. Al contrario, il valore di p per le misurazioni CWC è 0,728, il che implica la possibilità che il cambiamento di colore della pelle non influisce sulla ossigenazione dei tessuti cutanei misure in un sistema di imaging CWC.
Figura 7. Ossigenazione dei tessuti cutanei immagini ottenute dal sistema CWC durante la post-occlusiva iperemia reattiva (PORH). PORH Il test è stato effettuato l'avambraccio di un soggetto sano seguenti # 1. (A). Lunghezza d'onda singola immagine in scala di grigi del braccio con quattro marcatori fiduciaria posto per l'immagine co-registrazione. (B) La mappa del tessuto cutaneo di base ossigenazione acquisiti prima occlusione vascolare. (C) La mappa ossigenazione dei tessuti cutanei dopo l'occlusione vascolare (pressione sistolica + 50 mmHg) per 2 minuti. (D) La mappa ossigenazione dei tessuti cutanei dopo iperemia reattiva. Cambiamenti significativi nella ossigenazione dei tessuti cutanei sono stati osservati prima, durante e dopo l'occlusione vascolare.
Figura 8. Parametri di ossigeno dei tessuti continuamente monitorati durante un test PORH. Il protocollo di test in (a) mostra un periodo di riferimento pre-occlusione, seguita da un periodo di occlusione suprasystolic, e terminare con un periodo di iperemia reattiva. La storia di ossigenazione dei tessuti cutanei durata della procedura PORH è tracciata in (b). È stato ottenuto facendo la media di una regione di interesse selezionati (ROI) nella mappa CWC ossigenazione cutanea. Abbiamo anche monitorato l'ossigenazione dei tessuti profondi con un ossimetro tessuto OxiplexTS, come tracciati in (c). La tensione di ossigeno transcutanea dei tessuti è stata monitorata da un dispositivo di TCM e tracciate in (d). Le misure CWC di ossigenazione dei tessuti cutanei coincidono bene con gli altri parametri di ossigeno durante la procedura PORH.
Figura 9. Le risposte del tessuto cutaneo a diverse pressioni di occlusione vascolare. Immagini termografiche sono state acquisite subito dopo la stimolazione termica (cioè, una borsa d'acqua a temperatura ambiente 25 ° C) è stato rimosso dalla mano sinistra del soggetto. L'asse orizzontale corrisponde al tempo diversi punti dopo la stimolazione termica è stato rimosso. L'asse verticale corrisponde ai seguenti 4 livelli di pressioni di occlusione vascolare: 0 (No occlusione), 0.5DBP, 0,5 (DBP + SBP), 1.5SBP, dove DBP è la pressione diastolica e pressione sistolica è la pressione arteriosa sistolica. Per questo specifico argomento, il DBP è 69mmHg e la SBP è 123mmHg. I risultati dei test indicano che la temperatura del tessuto risposta alla stimolazione termico esterno è correlata con il livello di occlusione vascolare. L'aumento della pressione di occlusione riduce il tasso di risposta termica.
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Figura 10. Ricostruita mappe indice vascolare in diverse pressioni di occlusione vascolare. Indice funzione vascolare (v) per ogni pixel delle immagini termografiche è stato ottenuto regredendo la variazione di temperatura del tessuto cutaneo (Δ T) contro la radice quadrata del tempo dopo la stimolazione termica (√ t ): Δ √ t + K + ε, dove ε è l'errore casuale e K è una costante. Vascolare mappe funzione indice da sinistra a destra corrispondono alle condizioni occlusione seguenti: (a) non occlusione, (b) 0.5DBP, (c) 0,5 (DBP + SBP), (d) 1.5SBP. Per questo argomento specifico, la pressione arteriosa diastolica (PAD) è 69mmHg e la pressione sanguigna sistolica (SBP) è 123mmHg.
Figura 11. Correlazione tra l'indice di funzione vascolare e la perfusione del tessuto cutaneo. La punta il dito indice vascolare funzione ad ogni pressione di occlusione in # 2 è stata calcolata la media cinque regioni di interesse (ROI) nella mappa indice di tessuto vascolare. La perfusione tessutale cutanea è stata misurata mediante un dispositivo laser Doppler in una delle punta delle dita. L'indice punta di dito vascolare correlata con la misura laser Doppler, indicando la possibilità di utilizzare il metodo dinamico termografica per la valutazione quantitativa della funzione del tessuto vascolare.
Figura 12. . Il processo di co-registrazione immagine In prima fila, si mostra: (a) la foto normalizzata, (b) la regione in primo piano segmentato, e (c) i marcatori segmentato nell'immagine fotografica. In seconda fila, mostriamo: (d) la mappa perfusione normalizzata, (e) la regione in primo piano segmentato, e (f) i marcatori segmentato nella mappa di perfusione. La trasformazione affine tra i due gruppi di posizioni dei marker è stato calcolato. Il co-registrate immagini (g, h) sono stati ottenuti trasformando l'immagine fotografica e la mappa di ossigeno utilizzando questa trasformazione affine recuperato.
Figura 13. Il co-registrazione dei risultati. La foto e la mappa trasformato ossigeno, insieme alla mappa perfusione sono stati co-registrati e visualizzati in una mappa di calore. La mappa di calore in (a) è stata presentata con il 100% di un'immagine fotografica trasformata nel canale rosso, 100% di ossigeno immagine trasformata nel canale verde e il 50% della mappa perfusione nel canale blu. Per visualizzare i vasi meglio, vi presentiamo un'altra versione del co-registrazione del risultato come in (b). La mappa di calore era composto da 100% di un'immagine fotografica trasformata nel canale rosso, il 50% di ossigeno immagine trasformata nel canale verde, e il 50% della mappa di perfusione cambiato nel canale blu, dove è stato invertito la mappa indice vascolare e solo le informazioni all'interno della regione in primo piano è stata mantenuta.
Discussion
L'ossigeno presente nei tessuti biologici in molteplici forme come l'ossigeno di emoglobina o mioglobina legato, ossigeno disciolto, e le specie reattive dell'ossigeno. Trasporto di ossigeno gioca un ruolo fondamentale nel mantenere la vitalità dei tessuti e dei processi metabolici normali 3. Mite acuta all'ipossia moderata avvierà adattamento metabolico, regolazione vascolare, e le risposte angiogenici 4. Anossia e ipossia estrema porterà ad angiogenesi insufficiente e la morte delle cellule. Lo squilibrio tra apporto di ossigeno limitata e una maggiore richiesta di ossigeno è uno dei principali fattori causali per molti disturbi, come ferite croniche 5. Nel caso di ferite ischemiche, rifornimento di ossigeno è limitata dalla mancanza di perfusione e non può soddisfare le necessità metaboliche del processo di guarigione e di compromettere la funzione burst respiratorio volto a combattere le infezioni. Valutazione simultanea di ossigenazione dei tessuti cutanei e la funzione vascolare ha significato clinico nella gestione delle ferite croniche.
La tecnica di imaging iperspettrale stime ossigenazione dei tessuti cutanei da tessuto illuminante e rilevare riflettanza tessuto a lunghezze d'onda differenti 6. Uno dei principali vantaggi di imaging iperspettrale è non invasiva e senza contatto di rilevamento delle proprietà funzionali del tessuto. Tuttavia, la sicurezza di misura di ossigeno per molti sistemi di imaging iperspettrale è influenzato dal colore della pelle e di altre variazioni di assorbimento di fondo. Spettroscopia gamma derivato secondo gap è stato sviluppato in precedenza per la misura ossigenazione dei tessuti con effetti minimi di dispersione e di pigmentazione della pelle 1. Abbiamo applicato il principio della spettroscopia derivata seconda di immagini multispettrali e dimostrato la misura coerente di ossigenazione dei tessuti cutanei indipendente con i cambiamenti simulati colore della pelle.
Perfusione tessutale è stato precedentemente studiato da misura 7 diffusività termica dei tessuti. Un metodo cappuccio singolo è stato sviluppato per introdurre stimoli termici e le risposte del tessuto un'immagine dinamica per valutare il tessuto cutaneo distribuzione inerzia termica 8. Esperimenti sulla pelle dell'avambraccio umano sottoposto ad occlusione arteriosa bracciale dimostrato relazione lineare tra inerzia termica e perfusione sanguigna misurata da un laser Doppler imager prima e durante il flusso di sangue occlusione 8. Un modello bioheat concentrati è stato utilizzato anche per stimare la reattività vascolare punta delle dita durante occlusione venosa pletismografia 9. Nonostante gli sforzi di cui sopra, la quantificazione della perfusione sanguigna della pelle dalle misure della temperatura della pelle è impegnativo a causa della mancanza di sensibilità, la dipendenza dallo spessore grasso sottocutaneo, e di altri fattori come la vasocostrizione, vasodilatazione, e artefatti da movimento 10. In questo protocollo, abbiamo usato una telecamera a infrarossi per catturare la dinamica della temperatura dei tessuti in risposta ad una stimolazione termica a temperatura ambiente. La stimolazione termica è stata scelta in modo che l'effetto di vasocostrizione e vasodilatazione è stato ridotto al minimo. Ulteriori sforzi di modellazione e misurazione sono necessari al fine di delineare una correlazione quantitativa affidabile tra l'indice di funzione vascolare e la perfusione del tessuto cutaneo.
In # 3, abbiamo usato la trasformazione affine per la co-registrazione compiti. Tuttavia, dato che le due telecamere sono posizionate con diverse angolazioni nello spazio 3D, è potenzialmente più corretto applicare una trasformazione relative alla trasformazione 3D tra le due fotocamere. Attualmente stiamo esplorando in questa direzione che coinvolgono calibrazione estrinseci delle telecamere nello spazio 3D usando geometria epipolare.
Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
Supportato da NIH premi RO1 HL073087, GM 077185, 069589 e GM a CKS. Il lavoro è supportato anche da una sovvenzione del programma di Medicina Rigenerativa della DHLRI. Gli autori sono grati al supporto tecnico e gli ingressi clinica dal seguente personale presso la Ohio State University: il dottor Sabyasachi.Biswas (Centro completo delle ferite), il Dr. Allison Spiwak (Technology Division Circulation), Joseph Agoston (Divisione Circolazione), Thoma capecchio (Divisione Circolazione), Joseph Ewing (Ingegneria Meccanica), Scott Killinger (ingegneria meccanica), e Xiaoyin Ge (Ingegneria Elettrica).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Higgins Calligraphy waterproof black ink | Sanford | 44314 | diluted to 1% |
| Hamamatsu ORCA ER deep cooling CCD camera | Hamamatsu Corp. | C4742-80-12AG | |
| Varispec SNIR liquid crystal tunable filter | Cambridge Research Systems | VIS-10-HC-20 | |
| ThermoVision A40 infrared camera | FLIR Systems Inc. | A40 | |
| Thorlabs OSL1 high intensity fiber light source | Thorlabs Inc. | OSL1 |
References
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