Полностью волоконно-связанная терагерцовая однопиксельная визуализация для биомедицинских приложений

Более чёткие медицинские снимки без рентгена

Современная медицина всё больше полагается на неинвазивное «заглядывание» под кожу, но многие инструменты визуализации по‑прежнему медленные, громоздкие или используют ионизирующее излучение, такое как рентген. В этой работе представлен новый терагерцовый метод визуализации, который компактен, гибок и достаточно быстр для работы в реальном времени непосредственно на коже пациента, что открывает возможности для более безопасной прикроватной диагностики и лучшей навигации во время лечения и операций.

Мягкие волны, которые видят воду и структуру

Терагерцовые волны находятся между микроволнами и инфракрасным светом и имеют очень низкую энергию, поэтому они не ионизируют ткани так, как рентгеновское излучение. Они сильно взаимодействуют с водой, что делает их особенно чувствительными к уровню влажности разных участков кожи и подлежащих тканей. Поскольку рак, рубцы, ожоги и другие состояния часто изменяют содержание воды и структуру тканей, терагерцовые сигналы могут выявлять контрасты, которые обычный свет или ультразвук могут пропустить. До сих пор многие терагерцовые установки были крупными настольными системами с медленной точечной съёмкой, что ограничивало их полезность в загруженной клинике или операционной.

Компактный зонд, полностью управляемый оптическими волокнами

Исследователи преодолели эти практические ограничения, создав полностью волоконно-связанную терагерцовую систему вокруг небольшого зонда, который можно перемещать к пациенту. Вместо того чтобы направлять терагерцовые лучи с помощью громоздких зеркал в свободном пространстве, они проводят свет, формирующий и регистрирующий терагерцовый импульс, через гибкие оптические волокна, похожие на используемые в телекоммуникациях. Внутри зонда кварцевый призмат и тонкая кремниeвая пластинка прижимают к поверхности образца. Терагерцовые волны входят в призму, распространяются вдоль интерфейса кремний–образец и отражаются обратно в процессе, называемом ослабленным полным внутренним отражением, который очень чувствителен к свойствам тонкого слоя ткани прямо под зондом.

Рисование светом для построения изображений

Чтобы избежать медленной механической съёмки, команда использует стратегию «однопиксельной» визуализации. Вместо измерения каждой точки изображения по‑отдельности они проектируют серию специально разработанных световых паттернов на кремниевую пластинку с помощью синего лазера и цифрового микрозеркального устройства, передавая их через волоконный пучок для изображения. Эти паттерны локально меняют взаимодействие кремния с терагерцовыми волнами, фактически нанося соответствующий рисунок на терагерцовый пучок. Для каждого паттерна один детектор регистрирует суммарный отражённый терагерцовый сигнал, а компьютер математически реконструирует изображение по множеству таких измерений. Используя паттерны, основанные на матрице Адамара, и пользуясь тем, что электрический отклик кремниевой пластины затухает всего за несколько микросекунд, система способна переключать паттерны до 20 000 раз в секунду. Это даёт видеорежим с пространственным разрешением около 360 микрометров — достаточно для детализации мелких особенностей кожи — и обеспечивает более 30 000 пикселей изображения в секунду, что более чем в пять раз быстрее, чем предыдущие сопоставимые системы.

Испытания на металлических узорах, тканях животных и человеческой коже

Для оценки качества изображений авторы сначала сфотографировали маленький золотой «спицевый» узор на кварце. Терагерцовые изображения ясно показали металлические радиальные элементы с высоким контрастом, совпадая с оптическими фотографиями и подтверждая разрешающую способность и стабильность системы. Затем они изучали кусок порционной (свиной) ткани, содержащий области жира и белковых структур. Поскольку жир содержит меньше воды и имеет другие молекулярные колебания по сравнению с белком, эти области дали различающиеся терагерцовые сигнатуры как по амплитуде сигнала, так и по фазе в зависимости от частоты, что позволило чётко отобразить границу между ними. Наконец, команда продемонстрировала реальную съёмку in vivo на руке добровольца. Терагерцовый зонд легко отличил сухую корку от окружающей более увлажнённой здоровой кожи, воспроизведя форму корки и подтвердив, что метод работает на живой ткани в реальном времени.

Быстрее и удобнее для будущих клиник

В целом эта работа показывает, что терагерцовую визуализацию можно упаковать в волоконно-питаемый компактный ручной датчик, который обеспечивает быстрый, бесконтактный и неионизирующий взгляд на ткани прямо под кожей. Комбинируя ослабленное полное внутреннее отражение, однопиксельную визуализацию и продуманное использование свойств кремния, система достигает высокой скорости, детальности и надёжности в компактном форм-факторе. При дальнейшем развитии такие устройства могут помочь врачам в диагностике рака кожи, мониторинге заживления ран, точном удалении поражённых участков и даже интеграции с роботизированными платформами для автоматизированной, безопасной и щадящей визуализации у постели больного.

Цитирование: 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

Ключевые слова: терагерцовое изображение, однопиксельная визуализация, биомедицинская диагностика, рак кожи, неинвазивная спектроскопия