Vollständig fasergekoppelte Terahertz-Einzelpixel-Bildgebung für biomedizinische Anwendungen

Scharfere medizinische Bilder ohne Röntgen

Die moderne Medizin ist zunehmend darauf angewiesen, unter die Haut zu blicken, ohne sie zu durchtrennen; viele Bildgebungsverfahren sind jedoch nach wie vor langsam, unhandlich oder verwenden ionisierende Strahlung wie Röntgen. Diese Studie stellt ein neues Terahertz-basiertes Bildgebungssystem vor, das kompakt, flexibel und schnell genug ist, um in Echtzeit direkt auf der Haut von Patientinnen und Patienten eingesetzt zu werden. Das öffnet die Tür für sicherere Diagnosen am Bett und verbesserte Steuerung bei Behandlungen und Operationen.

Sanfte Wellen, die Wasser und Struktur erfassen

Terahertz-Wellen liegen zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht und tragen sehr wenig Energie, sodass sie Gewebe nicht ionisieren wie Röntgenstrahlen. Sie werden stark von Wasser beeinflusst, wodurch sie besonders empfindlich gegenüber Unterschieden im Feuchtigkeitsgehalt von Haut und darunterliegendem Gewebe sind. Da Krebs, Narben, Verbrennungen und andere Zustände oft Wassergehalt und Gewebestruktur verändern, können Terahertz-Signale Kontraste zeigen, die mit normalem Licht oder Ultraschall übersehen werden. Viele bisher verfügbare Terahertz-Bildgebungssysteme waren jedoch große Tischgeräte, die die Probe langsam abtasten, was ihre Nützlichkeit in einer belebten Klinik oder im Operationssaal einschränkt.

Eine kompakte Sonde, die vollständig durch Lichtwellenleiter angetrieben wird

Die Forscher überwanden diese praktischen Hürden, indem sie ein vollständig fasergekoppeltes Terahertz-Bildgebungssystem um eine kleine Sonde herum aufbauten, die zum Patienten gebracht werden kann. Anstatt Terahertz-Strahlen mit sperrigen Spiegeln im Freiraum zu lenken, führen sie das Licht, das den Terahertz-Impuls erzeugt und detektiert, durch flexible Glasfasern – ähnlich denen in der Telekommunikation. Innerhalb der Sonde pressen ein Quarzprisma und eine dünne Siliziumscheibe gegen die Probenoberfläche. Terahertz-Wellen treten in das Prisma ein, laufen entlang der Silizium–Probe-Grenzfläche und werden in einem Prozess namens abgeschwächte Totalreflexion zurückgeworfen, der sehr empfindlich für die Eigenschaften der dünnen Gewebeschicht direkt unter der Sonde ist.

Muster mit Licht „malen“, um Bilder zu erzeugen

Um langsame mechanische Abtastung zu vermeiden, verwendet das Team eine „Einzelpixel“-Bildgebungsstrategie. Statt jeden Bildpunkt separat zu messen, projizieren sie eine Serie sorgfältig entworfener Lichtmuster auf die Siliziumscheibe mittels eines blauen Lasers und einer digitalen Mikromirror-Anordnung, die über ein bildgebendes Faserbündel geliefert werden. Diese Muster verändern lokal, wie das Silizium mit den Terahertz-Wellen wechselwirkt, und prägen so ein entsprechendes Muster in den Terahertz-Strahl. Für jedes Muster zeichnet ein einzelner Detektor das gesamte reflektierte Terahertz-Signal auf, und ein Computer rekonstruiert aus vielen solchen Messungen mathematisch das Bild. Durch die Wahl von Mustern auf Basis einer speziellen Hadamard-Matrix und die Nutzung einer Siliziumscheibe, deren elektrische Antwort in nur wenigen Mikrosekunden abklingt, kann das System Muster mit bis zu 20.000 Wechseln pro Sekunde schalten. Das ergibt Video-Rate-Bildgebung mit einer räumlichen Auflösung von etwa 360 Mikrometern – fein genug, um kleine Hautstrukturen zu erkennen – und mehr als 30.000 Bildpixel pro Sekunde, mehr als fünfmal schneller als frühere vergleichbare Systeme.

Tests an Metallmustern, Tiergewebe und menschlicher Haut

Zur Validierung der Bildqualität fotografierten die Autorinnen und Autoren zunächst ein winziges goldbeschichtetes „Fahrradspeichen“-Muster auf Quarz. Die Terahertz-Bilder zeigten die Metallspeichen deutlich mit hohem Kontrast, stimmten mit optischen Fotografien überein und bestätigten die Auflösung und Stabilität des Systems. Anschließend testeten sie das System an einem Stück Schweinegewebe mit Fett- und eiweißreicheren Bereichen. Da Fett weniger Wasser enthält und andere molekulare Schwingungen als Protein aufweist, lieferten die beiden Bereiche unterschiedliche Terahertz-Signaturen in Signalstärke und Phase über die Frequenz, sodass die Grenze zwischen ihnen klar kartiert werden konnte. Schließlich demonstrierte das Team Echtzeit-In-vivo-Bildgebung am Unterarm einer Versuchsperson. Die Terahertz-Sonde unterschied problemlos eine trockene Kruste von der umgebenden, gesünderen und feuchteren Haut, gab die Form der Kruste wieder und bestätigte, dass die Technik an lebendem Gewebe in Echtzeit funktioniert.

Schnellere, schonendere Scans für künftige Kliniken

Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass Terahertz-Bildgebung in einem fasergeführten, handlichen Sensor verpackt werden kann, der schnelle, berührungsfreie und nicht ionisierende Einblicke in das Gewebe direkt unter der Hautoberfläche liefert. Durch die Kombination von abgeschwächter Totalreflexion, Einzelpixel-Bildgebung und dem klugen Einsatz der Eigenschaften von Silizium erreicht das System hohe Geschwindigkeit, feine Detailauflösung und Robustheit in einem kompakten Format. Mit weiterer Entwicklung könnten solche Geräte Ärztinnen und Ärzte bei der Diagnose von Hautkrebs unterstützen, die Wundheilung überwachen, die präzise Entfernung erkrankten Gewebes lenken und sogar mit robotischen Plattformen für automatisierte, sichere und schonende Bildgebung am Krankenbett integriert werden.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Terahertz-Bildgebung, Einzelpixel-Bildgebung, biomedizinische Diagnostik, Hautkrebs, nichtinvasive Spektroskopie