דימות תראהרץ חד-פיקסלי המחובר כולו בסיבים אופטיים ליישומים ביורפואיים

תמונות רפואיות חדות יותר ללא קרני רנטגן

הרפואה המודרנית תלויה יותר ויותר ביכולת לראות מתחת לעור ללא חיתוך, אבל רבים מכלי הדימות הנוכחיים עדיין איטיים, מגושמים, או משתמשים בקרינה מיוננת כמו רנטגן. המחקר הזה מציג מערכת דימות תראהרץ חדשה שהיא קומפקטית, גמישה ומהירה מספיק לשימוש בזמן אמת על עור המטופל, ובכך פותחת דלת לאבחון בטוח ליד המיטה והכוונה משופרת במהלך טיפולים וניתוחים.

גלים עדינים שרואים מים ומבנה

גלי תראהרץ ממוקמים בין מיקרוגל לאור תת‑אדום ונושאים אנרגיה נמוכה מאוד, כך שהם אינם מיונים רקמות כפי שעושים קרני רנטגן. הם מושפעים מאוד מנוכחות מים, מה שהופך אותם לרגישים במיוחד ללחות או לייבוש בחלקי העור ורקמות תת‑עוריות. מאחר שמצבים כמו סרטן, צלקות, כוויות ושאר מצבים משנהים לעתים קרובות את תוכן המים והמבנה של הרקמה, אותות תראהרץ יכולים לגלות ניגודים שאור רגיל או אולטרה‑סאונד עלולים לפספס. עם זאת, עד כה רוב מערכות הדימות בתראהרץ היו שולחניות וגדולות אשר סרקו באיטיות את המדגם, מה שמגביל את היותן שימושיות בקליניקה עמוסה או בחדר ניתוח.

גלאי קומפקטי המופעל כולו על‑ידי סיבים אופטיים

החוקרים פתרו חסמים פרקטיים אלה על‑ידי בניית מערכת דימות תראהרץ המחוברת לחלוטין בסיבים אופטיים סביב זימון קטן שניתן להזיז אל פני המטופל. במקום לנווט קרני תראהרץ במראות גדולות במרחב חופשי, הם מנחים את האור שיוצר ומגלה את פעימת התראהרץ דרך סיבים אופטיים גמישים, בדומה לאלה שבטלקומוניקציה. בתוך הזימון יש פריזמה מקריסטל קוורץ וצ'יפ סיליקון דק שנלחץ אל פני המדגם. גלי תראהרץ נכנסים לפריזמה, מחליקים לאורך הממשק סיליקון–מדגם ומשתקפים חזרה בתהליך שנקרא החזר כולל מוחלש (attenuated total reflection), הרגיש מאוד לתכונות השכבה הדקה של הרקמה מתחת לזימון.

צביעה בתבניות אור כדי לבנות תמונות

כדי להימנע מסריקה מכנית איטית, הצוות משתמש באסטרטגיית "חד‑פיקסל" לדימות. במקום למדוד כל נקודת תמונה בנפרד, הם מקרינים סדרת תבניות אור מתוכננות בקפידה על צ'יפ הסיליקון באמצעות לייזר כחול ומכשיר מראות דיגיטליות (DMD), המועברות דרך צרור סיבים תיאורי. תבניות אלה משנות מקומית את האינטראקציה של הסיליקון עם גלי התראהרץ, ובכך מטביעות בפועל תבנית מתאימה על קרן התראהרץ. עבור כל תבנית גלאי יחיד מקליט את סכום האות התראהרץ המוחזר, ומחשב משחזר את התמונה מתמטית ממספר רב של מדידות כאלה. על ידי בחירת תבניות המבוססות על מטריצת הדמארט (Hadamard) וניצול צ'יפ סיליקון שהתשובה החשמלית שלו מתמוססת בתוך מספר מיקרו‑שניות בלבד, המערכת יכולה להחליף תבניות עד 20,000 פעמים בשנייה. זה מספק דימות בקצב וידאו ברזולוציה מרחבית של כ‑360 מיקרומטר — דיוק המספיק להבחין בתכונות עור קטנות — תוך השגה של למעלה מ‑30,000 פיקסלי תמונה בשנייה, יותר מחמש פעמים מהר יותר ממערכות מקבילות קודמות.

בדיקות על דגמי מתכת, רקמות חיות ועור אדם

לבדיקת איכות התמונה, המחברים צילמו תחילה דוגמת זהב זעירה בצורת "גלגל עגלה" על קוורץ. תמונות התראהרץ הראו בבירור את הזרועות המתכתיות בניגודיות גבוהה, תואמות לתצלומים אופטייים ואישרו את הרזולוציה והיציבות של המערכת. לאחר מכן הם עברו לנתחת חזיר שכללה אזורים שומניים ועשירים בחלבון. מכיוון ששומן מכיל פחות מים ויש לו רטיטות מולקולריות שונות מאשר חלבון, שני האזורים נתנו חתימות תראהרץ מובחנות בעוצמת האות ובשפהפ across תדרים, מה שאיפשר למפות גבול ברור ביניהם. לבסוף הצוות הדגים דימות בזמן אמת in vivo על זרועו של מתנדב. הזימון בתראהרץ הבחין בקלות בקרום יבש לעומת העור הבריא והיותר מסוכך שסביבו, שחזר את צורת הקרום ואישר שהשיטה יכולה לפעול על רקמה חיה בזמן אמת.

סריקות מהירות וידידותיות לקליניקות העתידיות

בסה"כ, עבודה זו מראה שניתן לארוז דימות תראהרץ בחיישן קומפקטי המוזן בסיבים בעל מראה נייד שמספק מבטים מהירים, לא‑מגעיים וללא קרינה מיונית של הרקמה ממש מתחת לעור. על‑ידי שילוב של החזר כולל מוחלש, דימות חד‑פיקסלי ושימוש חכם בתכונות הסיליקון, המערכת משיגה מהירות גבוהה, פירוט עדין ועמידות במארז קטן. בפיתוח נוסף, מכשירים כאלה יכולים לסייע לרופאים באבחון סרטן העור, במעקב אחר ריפוי פצעים, בהכוונה להסרה מדויקת של רקמות חולות ואפילו בשילוב עם פלטפורמות רובוטיות לדימות אוטומטי, בטוח ועדין לצד המיטה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: דימות תראהרץ, דימות חד-פיקסלי, אבחון ביורפואי, סרטן העור, ספקטרוסקופיה בלתי פולשנית