Hel-fiberkopplad terahertz-enkelpixelavbildning för biomedicinska tillämpningar

Skarpare medicinska bilder utan röntgen

Modern medicin förlitar sig alltmer på att se under huden utan att skära i den, men många avbildningsverktyg är fortfarande långsamma, skrymmande eller använder joniserande strålning som röntgen. Denna studie presenterar ett nytt terahertzbaserat avbildningssystem som är kompakt, flexibelt och tillräckligt snabbt för att användas i realtid direkt på patientens hud, vilket öppnar dörren för säkrare sängnära diagnostik och bättre vägledning under behandlingar och operationer.

Milda vågor som ser vatten och struktur

Terahertzvågor ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus och bär mycket låg energi, så de joniserar inte vävnad på samma sätt som röntgen kan göra. De påverkas starkt av vatten, vilket gör dem särskilt känsliga för hur fuktig eller torr olika delar av hud och underliggande vävnad är. Eftersom cancer, ärr, brännskador och andra tillstånd ofta förändrar vävnadens vatteninnehåll och struktur kan terahertzsignaler avslöja kontraster som vanligt ljus eller ultraljud kan missa. Fram tills nu har många terahertzavbildningssystem dock varit stora bordsmonterade anordningar som skannar långsamt över provet, vilket begränsat deras användbarhet i en upptagen klinik eller operationssal.

En kompakt sond som drivs helt av optiska fibrer

Forskarna löste dessa praktiska hinder genom att bygga ett helt fiberkopplat terahertzavbildningssystem kring en liten sond som kan flyttas till där patienten befinner sig. Istället för att styra terahertzstrålar med skrymmande speglar i fri rymd leds ljuset som skapar och detekterar terahertzpulsen genom flexibla optiska fibrer, liknande dem som används i telekommunikation. Inuti sonden pressas ett kvartspyramid (kvartsprisma) och ett tunt kiselplåtsskikt mot provytan. Terahertzvågor går in i prismat, glider längs gränsytan mellan kisel och prov och reflekteras tillbaka i en process som kallas dämpad totalreflektion, vilken är mycket känslig för egenskaperna i det tunna vävnadsskiktet precis under sonden.

Måla mönster med ljus för att bygga bilder

För att undvika långsam mekanisk skanning använder teamet en ”enkelpixel”-avbildningsstrategi. Istället för att mäta varje bildpunkt separat lyser de en serie noga utformade ljusmönster på kiselplåten med en blå laser och en digital mikrospegelanordning, som levereras genom en bildgivande fiberbunt. Dessa mönster ändrar lokalt hur kisel interagerar med terahertzvågor, vilket effektivt präntar ett motsvarande mönster på terahertzstrålen. För varje mönster registrerar en enda detektor den totala reflekterade terahertzsignalen, och en dator rekonstruerar matematiskt bilden från många sådana mätningar. Genom att välja mönster baserade på en särskild Hadamard-matris och utnyttja ett kiselvars elektriska respons som avklingar på bara några mikrosekunder kan systemet byta mönster upp till 20 000 gånger per sekund. Det ger videofrekvensavbildning med en rumslig upplösning på cirka 360 mikrometer — tillräckligt fint för att urskilja små hudstrukturer — samtidigt som det uppnår mer än 30 000 bildpixlar per sekund, mer än fem gånger snabbare än tidigare jämförbara system.

Testning på metallmönster, djurvävnad och mänsklig hud

För att validera bildkvaliteten avbildade författarna först ett litet guld"cartwheel"-mönster på kvarts. Terahertzbilderna visade tydligt metallaxlarna med hög kontrast, i enlighet med optiska fotografier och bekräftade systemets upplösning och stabilitet. Därefter studerade de en bit grisvävnad som innehöll både fett- och proteininnehållande regioner. Eftersom fett innehåller mindre vatten och har andra molekylära vibrationer än protein gav de två regionerna distinkta terahertzsignaturer i både signalstyrka och fas över frekvens, vilket möjliggjorde en tydlig avgränsning mellan dem. Slutligen demonstrerade teamet realtidsavbildning in vivo på en frivilligs arm. Terahertzsonden skilde enkelt en torr sårskorpa från den omgivande friska, mer hydrerade huden, återgav skorps form och bekräftade att tekniken kan fungera på levande vävnad i realtid.

Snabbare, trevligare skanningar för framtida kliniker

Sammantaget visar detta arbete att terahertzavbildning kan paketeras i en fibermatad, handhållen sensor som levererar snabba, icke-kontaktande, icke-joniserande vyer av vävnad precis under huden. Genom att kombinera dämpad totalreflektion, enkelpixelavbildning och smart användning av kisels egenskaper uppnår systemet hög hastighet, fin detaljrikedom och robusthet i ett kompakt format. Med vidare utveckling skulle sådana enheter kunna hjälpa läkare att diagnostisera hudcancer, övervaka sårläkning, vägleda precis borttagning av sjuk vävnad och till och med integreras med robotplattformar för automatiserad, säker och skonsam avbildning vid sängkanten.

Citering: 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

Nyckelord: terahertzavbildning, enkelpixelavbildning, biomedicinsk diagnostik, hudcancer, icke-invasiv spektroskopi