Całkowicie sprzężone światłowodowo obrazowanie terahercowe jednym pikselem do zastosowań biomedycznych

Ostrzejsze obrazy medyczne bez promieniowania rentgenowskiego

Współczesna medycyna coraz częściej polega na oglądaniu pod skórą bez jej rozcinania, jednak wiele narzędzi obrazowania jest nadal wolnych, nieporęcznych lub wykorzystuje promieniowanie jonizujące, takie jak rentgen. W tym badaniu zaprezentowano nowy system obrazowania terahercowego, który jest kompaktowy, elastyczny i na tyle szybki, by działać w czasie rzeczywistym bezpośrednio na skórze pacjentów, otwierając drogę do bezpieczniejszej diagnostyki przy łóżku chorego oraz lepszego prowadzenia zabiegów i operacji.

Łagodne fale, które widzą wodę i strukturę

Fale terahercowe leżą między mikrofali a światłem podczerwonym i niosą bardzo małą energię, więc nie jonizują tkanek tak jak promienie rentgenowskie. Silnie oddziałują z wodą, co sprawia, że są szczególnie czułe na stopień nawilżenia różnych części skóry i leżących pod nią tkanek. Ponieważ nowotwory, blizny, oparzenia i inne stany często zmieniają zawartość wody i strukturę tkanek, sygnały terahercowe mogą ujawniać kontrasty, które zwykłe światło lub ultradźwięki mogą przeoczyć. Do tej pory jednak wiele układów obrazowania terahercowego miało postać dużych systemów stołowych skanujących wolno próbkę, co ograniczało ich przydatność w zatłoczonych klinikach lub na sali operacyjnej.

Kompaktowa sonda napędzana w całości światłowodami

Naukowcy rozwiązali te praktyczne bariery, budując system obrazowania terahercowego całkowicie sprzężony ze światłowodami wokół małej sondy, którą można przenieść tam, gdzie znajduje się pacjent. Zamiast kierować wiązkami terahercowymi za pomocą nieporęcznych luster w przestrzeni wolnej, prowadzą światło, które generuje i wykrywa impuls terahercowy, przez elastyczne włókna optyczne podobne do tych używanych w telekomunikacji. Wewnątrz sondy znajduje się pryzmat kwarcowy i cienka płytka krzemowa przyciskane do powierzchni próbki. Fale terahercowe wchodzą do pryzmatu, płyną wzdłuż interfejsu krzem–próbka i odbijają się z powrotem w procesie zwanym tłumionym całkowitym odbiciem, który jest bardzo czuły na właściwości cienkiej warstwy tkanki bezpośrednio pod sondą.

Malowanie wzorów światłem, aby zbudować obraz

Aby uniknąć wolnego skanowania mechanicznego, zespół wykorzystuje strategię obrazowania „jednym pikselem”. Zamiast mierzyć każdy punkt obrazu osobno, świecą serią starannie zaprojektowanych wzorów światłem na płytkę krzemową za pomocą niebieskiego lasera i cyfrowego urządzenia micromirror, dostarczanych przez wiązkę obrazującą światłowodu. Te wzory lokalnie zmieniają sposób, w jaki krzem oddziałuje z falami terahercowymi, skutecznie odciskając odpowiadający wzór na wiązkę terahercową. Dla każdego wzoru pojedynczy detektor rejestruje całkowity odbity sygnał terahercowy, a komputer matematycznie rekonstruuje obraz z wielu takich pomiarów. Poprzez wybór wzorów opartych na specjalnej macierzy Hadamarda i wykorzystanie płytki krzemowej, której odpowiedź elektryczna zanika w ciągu zaledwie kilku mikrosekund, system może przełączać wzory z prędkością do 20 000 razy na sekundę. To daje obrazowanie w tempie wideo z rozdzielczością przestrzenną około 360 mikrometrów — wystarczająco dokładną, by rozróżnić małe cechy skóry — przy osiągnięciu ponad 30 000 pikseli obrazu na sekundę, więcej niż pięciokrotnie szybciej niż w poprzednich porównywalnych systemach.

Testy na wzorach metalowych, tkance zwierzęcej i ludzkiej skórze

Aby zweryfikować jakość obrazów, autorzy najpierw zobrazowali maleńki złoty wzór „koła zębatkowego” na kwarcu. Obrazy terahercowe wyraźnie pokazały metalowe szprychy z wysokim kontrastem, odpowiadając zdjęciom optycznym i potwierdzając rozdzielczość oraz stabilność systemu. Następnie przeszli do fragmentu tkanki wieprzowej zawierającej zarówno obszary tłuszczowe, jak i bogate w białko. Ponieważ tłuszcz zawiera mniej wody i ma inne drgania molekularne niż białko, obie strefy dały odrębne sygnatury terahercowe zarówno w sile sygnału, jak i fazie w funkcji częstotliwości, co pozwoliło wyznaczyć wyraźną granicę między nimi. Na koniec zespół zademonstrował obrazowanie in vivo w czasie rzeczywistym na ramieniu ochotnika. Sonda terahercowa łatwo odróżniła suchy strup od otaczającej, zdrowszej i bardziej nawodnionej skóry, odtwarzając kształt strupa i potwierdzając, że technika działa na żywej tkance w czasie rzeczywistym.

Szybsze, przyjemniejsze skany dla przyszłych klinik

Podsumowując, praca pokazuje, że obrazowanie terahercowe można zamknąć w urządzeniu zasilanym światłowodowo w formie przenośnego sensora, który dostarcza szybkie, bezkontaktowe i niejonizujące spojrzenia na tkanki tuż pod skórą. Poprzez połączenie tłumionego całkowitego odbicia, obrazowania jednym pikselem i sprytnego wykorzystania właściwości krzemu system osiąga dużą prędkość, drobne detale i odporność w kompaktowym formacie. Przy dalszym rozwoju takie urządzenia mogłyby pomagać lekarzom w diagnozowaniu raka skóry, monitorowaniu gojenia ran, kierowaniu precyzyjnym usuwaniem chorych tkanek, a nawet integrować się z platformami robotycznymi do zautomatyzowanego, bezpiecznego i łagodnego obrazowania przy łóżku pacjenta.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: obrazowanie terahercowe, obrazowanie jednym pikselem, diagnostyka biomedyczna, rak skóry, nieinwazyjna spektroskopia