All-fibre-gekoppelde terahertz single-pixel beeldvorming voor biomedische toepassingen

Scherpere medische beelden zonder röntgenstraling

De moderne geneeskunde steunt steeds meer op het bekijken van wat zich onder de huid bevindt zonder te snijden, maar veel beeldvormende hulpmiddelen zijn nog langzaam, log of gebruiken ioniserende straling zoals röntgen. Deze studie introduceert een nieuw terahertz-gebaseerd beeldvormingssysteem dat compact, flexibel en snel genoeg is voor realtime gebruik rechtstreeks op de huid van patiënten, wat de weg vrijmaakt voor veiliger diagnostiek aan het bed en betere begeleiding tijdens behandelingen en operaties.

Zachte golven die water en structuur zichtbaar maken

Terahertzgolven bevinden zich tussen microgolven en infraroodlicht en dragen zeer weinig energie, dus ze ioniseren weefsel niet zoals röntgenstraling kan doen. Ze worden sterk beïnvloed door water, waardoor ze bijzonder gevoelig zijn voor hoe nat of droog verschillende delen van de huid en het onderliggende weefsel zijn. Omdat kanker, littekens, brandwonden en andere aandoeningen vaak het watergehalte en de structuur van weefsel veranderen, kunnen terahertzsignalen contrasten tonen die gewoon licht of echografie mogelijk missen. Tot nu toe waren veel terahertz-beeldvormingsopstellingen echter grote tafelmodellen die langzaam over het monster scanden, wat hun bruikbaarheid in een drukke kliniek of operatiekamer beperkte.

Een compact sondje volledig aangedreven door optische vezels

De onderzoekers losten deze praktische barrières op door een volledig door vezels verbonden terahertz-beeldvormingssysteem te bouwen rond een klein sondje dat naar de patiënt toe verplaatst kan worden. In plaats van terahertzgolven met logge spiegels door vrije ruimte te sturen, leiden ze het licht dat de terahertzpuls opwekt en detecteert door flexibele optische vezels, vergelijkbaar met die in telecommunicatie. In het sondje drukken een kwartskegel en een dun siliciumplaatje tegen het monsteroppervlak. Terahertzgolven treden de prisma binnen, lopen langs het silicium–monster interface en reflecteren terug in een proces dat verzwakte totale reflectie wordt genoemd, dat zeer gevoelig is voor de eigenschappen van de dunne laag weefsel direct onder het sondje.

Patronen met licht schilderen om beelden op te bouwen

Om langzaam mechanisch scannen te vermijden gebruikt het team een "single-pixel"-beeldvormingsstrategie. In plaats van elk beeldpunt apart te meten, projecteren ze een reeks zorgvuldig ontworpen lichtpatronen op het siliciumplaatje met een blauwlamp en een digitaal micromirrorapparaat, geleverd via een beeldvormende vezelbundel. Deze patronen veranderen lokaal hoe het silicium met terahertzgolven interacteert, en drukken als het ware een overeenkomstig patroon op de terahertzstraal. Voor elk patroon registreert één detector het totale gereflecteerde terahertzsignaal, en een computer reconstrueert wiskundig het beeld uit vele zulke metingen. Door patronen te kiezen op basis van een speciale Hadamard-matrix en gebruik te maken van een siliciumplaatje waarvan de elektrische respons in slechts enkele microseconden vervalt, kan het systeem patronen wisselen tot wel 20.000 keer per seconde. Dit levert videowaardige beeldvorming met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 360 micrometer — fijn genoeg om kleine huidsdetails te onderscheiden — en bereikt meer dan 30.000 beeldpixels per seconde, meer dan vijf keer sneller dan eerder vergelijkbare systemen.

Testen op metaalpatronen, dierlijk weefsel en menselijke huid

Om de beeldkwaliteit te valideren beeldden de auteurs eerst een klein gouden "cartwheel"-patroon op kwarts af. De terahertzbeelden lieten de metalen spaken duidelijk en met hoog contrast zien, wat overeenkwam met optische foto’s en de resolutie en stabiliteit van het systeem bevestigde. Vervolgens kozen ze een stuk varkensweefsel met zowel vet- als eiwitrijke gebieden. Omdat vet minder water bevat en andere moleculaire trillingen heeft dan eiwit, gaven de twee regio’s onderscheidende terahertzhandtekeningen in zowel signaalsterkte als fase over frequentie, waardoor een duidelijke grens tussen hen kon worden in kaart gebracht. Tot slot demonstreerde het team realtime in vivo beeldvorming op de arm van een vrijwilliger. Het terahertzsondje onderscheidde moeiteloos een droge korst van de omliggende, meer gehydrateerde gezonde huid, reproduceerde de vorm van de korst en bevestigde dat de techniek op levend weefsel in realtime kan werken.

Snellere, vriendelijkere scans voor toekomstige klinieken

Alles bij elkaar toont dit werk aan dat terahertzbeeldvorming kan worden verpakt in een vezelgevoed, handzame sensor die snelle, contactloze en niet-ioniserende kijkjes levert in het weefsel net onder de huid. Door verzwakte totale reflectie, single-pixel beeldvorming en slim gebruik van de eigenschappen van silicium te combineren, bereikt het systeem hoge snelheid, fijne details en robuustheid in een compact ontwerp. Met verdere ontwikkeling zouden zulke apparaten artsen kunnen helpen bij het diagnosticeren van huidkanker, het volgen van wondgenezing, het nauwkeurig weghalen van ziek weefsel te begeleiden en zelfs te integreren met robotplatforms voor geautomatiseerde, veilige en zachte beeldvorming aan het bed.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: terahertz beeldvorming, single-pixel beeldvorming, biomedische diagnostiek, huidkanker, niet-invasieve spectroscopie