生体医療応用のための全ファイバー結合テラヘルツ単一ピクセルイメージング

X線を使わない、より鮮明な医療画像

現代医療は皮膚の下を切開せずに可視化することにますます依存していますが、多くのイメージング機器は依然として遅く、大型で、あるいはX線のような電離放射線を用いています。本研究は、コンパクトで柔軟性があり、患者の皮膚に対して直接リアルタイムで使用できるほど高速な新しいテラヘルツベースのイメージングシステムを紹介します。これにより、より安全なベッドサイド診断や処置・手術時の案内が可能になります。

水分と構造をとらえる優しい波

テラヘルツ波はマイクロ波と赤外線の間に位置しエネルギーが非常に低いため、X線のように組織を電離しません。水分に強く影響されるため、皮膚やその下の組織の湿り気の違いに特に敏感です。がん、瘢痕、やけどなどは組織の水分量や構造を変えることが多く、テラヘルツ信号は通常の光や超音波では見つけられないコントラストを示すことがあります。しかしこれまで、多くのテラヘルツイメージング装置は大型の卓上システムで、サンプル上をゆっくり走査する必要があり、忙しい診療所や手術室での実用性が限られていました。

光ファイバーだけで駆動するコンパクトなプローブ

研究者たちは、患者のそばに持っていける小型プローブを中心に全ファイバー結合のテラヘルツイメージングシステムを構築することで、これらの実用上の障壁を克服しました。大型ミラーで自由空間中のテラヘルツビームを制御する代わりに、テラヘルツパルスを生成・検出する光を通信に使われるような柔軟な光ファイバーで導きます。プローブ内では、石英プリズムと薄いシリコンウェハーが試料表面に接触します。テラヘルツ波はプリズムに入射し、シリコンと試料の界面に沿って走り、減衰全反射と呼ばれる過程で反射して戻ります。これはプローブ直下の薄い組織層の特性に非常に敏感です。

光でパターンを描いて画像を作る

遅い機械的走査を避けるため、チームは「単一ピクセル」イメージング戦略を用いています。各画素を個別に測定するのではなく、デジタルマイクロミラー装置と青色レーザーを使い、イメージングファイバーバンドルを介してシリコンウェハーに精緻に設計された一連の光パターンを照射します。これらのパターンは局所的にシリコンのテラヘルツとの相互作用を変え、事実上テラヘルツビームに対応するパターンを刻印します。各パターンごとに単一の検出器が反射テラヘルツ信号の総和を記録し、コンピュータが多数の測定から数学的に画像を再構成します。特別なハダマード行列に基づくパターンを選び、電気応答が数マイクロ秒で減衰するシリコンウェハーを利用することで、システムは最大で毎秒2万回のパターン切替が可能になります。これにより、空間分解能約360マイクロメートルのビデオレート撮像が実現し—小さな皮膚の特徴を分解できるほどの精度—1秒当たり3万画素以上、従来の同等システムより5倍以上高速な取得が可能になります。

金属パターン、動物組織、人体皮膚での試験

画質を検証するために、著者らはまず石英上の微小な金製「カートホイール」パターンを撮像しました。テラヘルツ画像は金のスポークを高いコントラストで明瞭に示し、光学写真と一致してシステムの分解能と安定性を確認しました。次に、脂肪とタンパク質に富む領域を含む豚組織片を撮像しました。脂肪は水分が少なく、タンパク質と分子振動が異なるため、両領域は信号強度と周波数にわたる位相の両方で異なるテラヘルツ特性を示し、その境界を明瞭にマッピングできました。最後に、ボランティアの腕でのリアルタイム生体内撮像を実演しました。テラヘルツプローブは乾いたかさぶたを周囲のより水分の多い健康な皮膚と容易に区別し、かさぶたの形状を再現して、この手法が生体組織でリアルタイムに機能することを確認しました。

将来の診療所に向けたより速く、優しいスキャン

総じて本研究は、テラヘルツイメージングをファイバー給電のハンドヘルド風センサーにパッケージ化し、皮膚直下の組織を迅速かつ非接触・非電離で観察できることを示しています。減衰全反射、単一ピクセルイメージング、シリコンの特性の賢い利用を組み合わせることで、システムは高速度、細部解像度、堅牢性を小型の形状で実現しています。さらなる開発により、このようなデバイスは医師の皮膚がん診断、創傷治癒のモニタリング、病変組織の精密切除の案内、さらにはロボットプラットフォームと統合して自動で安全かつ優しいベッドサイド撮像を行う用途に貢献する可能性があります。

引用: 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

キーワード: テラヘルツイメージング, 単一ピクセルイメージング, 医療診断, 皮膚がん, 非侵襲分光