التصوير بتيراهرتز أحادي البكسل الموصَّل بالكامل بالألياف للتطبيقات الطبية الحيوية

صور طبية أوضح من دون أشعة سينية

تعتمد الطب الحديث بشكل متزايد على رؤية ما تحت الجلد من دون فتحه، لكن العديد من أدوات التصوير لا تزال بطيئة أو ضخمة أو تستخدم إشعاعاً مأيناً مثل الأشعة السينية. تقدم هذه الدراسة نظام تصوير جديد قائم على تيراهرتز صغير ومرن وسريع بما يكفي للاستخدام في الوقت الفعلي مباشرة على جلد المرضى، ما يفتح الباب لتشخيصات أسرّة آمنة وإرشاد أفضل أثناء العلاجات والجراحات.

موجات لطيفة ترى الماء والبنية

تقع موجات التيراهرتز بين الموجات الدقيقة والضوء تحت الأحمر وتحمل طاقة منخفضة جداً، لذلك لا تُؤين الأنسجة كما تفعل الأشعة السينية. وتتأثر بقوة بالماء، ما يجعلها حساسة بشكل خاص لمدى رطوبة أو جفاف أجزاء الجلد والأنسجة تحتها. وبما أن السرطان والندوب والحروق وحالات أخرى غالباً ما تغير محتوى الماء وبنية الأنسجة، فإن إشارات التيراهرتز يمكن أن تكشف تباينات قد تفوتها الضوء المرئي أو الموجات فوق الصوتية. ومع ذلك، كانت العديد من أنظمة تصوير التيراهرتز حتى الآن أنظمة كبيرة موضوعة على الطاولة وتقوم بمسح بطيء للعينة، مما يقيّد فائدتها في عيادة مزدحمة أو غرفة عمليات.

مسبار مدمج يعمل بالكامل عبر الألياف البصرية

عالج الباحثون هذه الحواجز العملية ببناء نظام تصوير تيراهرتز موصول بالكامل بالألياف حول مسبار صغير يمكن نقله إلى موقع المريض. بدلاً من توجيه حزم التيراهرتز بمرايا كبيرة في الفراغ، يوجّهون الضوء الذي يولّد ويكتشف نبضة التيراهرتز عبر ألياف بصرية مرنة، شبيهة بتلك المستخدمة في الاتصالات. داخل المسبار، تقوم منشور كوارتز ورفيعة من السيليكون بالضغط على سطح العينة. تدخل موجات التيراهرتز المنشور، وتنساب على امتداد واجهة السيليكون–العينة، وتنعكس مرة أخرى في عملية تسمى الانعكاس الكلي المضعف، وهي حساسة للغاية لخصائص الطبقة الرقيقة من الأنسجة الواقعة تحت المسبار مباشرة.

رسم أنماط بالضوء لبناء الصور

لتجنب المسح الميكانيكي البطيء، يستخدم الفريق استراتيجية التصوير «أحادي البكسل». بدلاً من قياس كل نقطة في الصورة على حدة، يسلطون سلسلة من الأنماط الضوئية المصممة بعناية على رقائق السيليكون باستخدام ليزر أزرق وجهاز مرايا ميكروية رقمية، يتم توصيلها عبر حزمة ألياف تصويرية. تغير هذه الأنماط محلياً كيفية تفاعل السيليكون مع موجات التيراهرتز، لتطبع فعلياً نمطاً مطابقاً على حزمة التيراهرتز. لكل نمط، يسجل كاشف واحد إجمالي إشارة التيراهرتز المنعكسة، ويعيد الحاسوب بناء الصورة حسابياً من العديد من هذه القياسات. باختيار أنماط استناداً إلى مصفوفة هادامارد الخاصة والاستفادة من شريحة سيليكون تستجيب كهربائياً وتتلاشى خلال بضعة ميكروثوانٍ فقط، يمكن للنظام تغيير الأنماط بسرعة تصل إلى 20,000 مرة في الثانية. ينتج عن ذلك تصوير بسرعة الفيديو بدقة مكانية تقارب 360 ميكرومتراً — كافية لتمييز ميزات جلدية صغيرة — مع تحقيق أكثر من 30,000 بكسل صورة في الثانية، أي أكثر بخمس مرات من أنظمة سابقة مماثلة.

اختبارات على أنماط معدنية وأنسجة حيوانية وبشرة بشرية

للتحقق من جودة الصورة، صور المؤلفون أولاً نمط «عجلة متقلبة» صغيرة من الذهب على كوارتز. أظهرت صور التيراهرتز بوضوح أعمدة المعدن بتباين عالٍ، ما طابق الصور الضوئية وأكد دقة النظام واستقراره. بعد ذلك، انتقلوا إلى قطعة من نسيج خنزير تحتوي على مناطق دهنية وغنية بالبروتين. لأن الدهن يحتفظ بماء أقل وله اهتزازات جزيئية مختلفة عن البروتين، قدمت المنطقتان تواقيع تيراهرتز مميزة في كل من شدة الإشارة والطور عبر التردد، مما أتاح رسم حد واضح بينهما. أخيراً، برهن الفريق التصوير الحي في الوقت الفعلي على ذراع متطوع. ميز مسبار التيراهرتز بسهولة قشرة جافة عن الجلد المحيط الأكثر رطوبة، معاداً شكل القشرة ومؤكداً أن التقنية تعمل على نسيج حي في الوقت الفعلي.

فحوصات أسرع وأكثر لطفاً للعيادات المستقبلية

بشكل إجمالي، يُظهر هذا العمل أن تصوير التيراهرتز يمكن تجهيزه في مجس صغير يُغذى بالألياف ويقدّم رؤى سريعة وغير تلامسية وغير مؤينة للأنسجة تحت الجلد مباشرة. من خلال الجمع بين الانعكاس الكلي المضعف، والتصوير أحادي البكسل، والاستخدام الذكي لخصائص السيليكون، يحقق النظام سرعة عالية وتفصيلاً جيداً ومتانة في شكل مدمج. مع المزيد من التطوير، قد تساعد مثل هذه الأجهزة الأطباء في تشخيص سرطانات الجلد، ومراقبة التئام الجروح، وتوجيه الإزالة الدقيقة للأنسجة المريضة، وحتى الاندماج مع منصات روبوتية لتصوير آمن وآلي ولطيف على سرير المريض.

الاستشهاد: Mou, S., Stantchev, R.I., Saxena, S. et al. All-fibre-coupled terahertz single-pixel imaging for biomedical applications. Nat Commun 17, 1571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68290-x

الكلمات المفتاحية: تصوير تيراهرتز, التصوير أحادي البكسل, التشخيصات الطبية الحيوية, سرطان الجلد, الطيفية غير الغازية