全光纤耦合太赫兹单像素成像在生物医学中的应用

无需X射线也能更清晰的医学影像

现代医学越来越依赖在不切开皮肤的情况下观察体内，但许多成像工具仍然笨重、速度慢，或使用像X射线这样的电离辐射。本研究提出了一种新的太赫兹成像系统，体积小、灵活且响应足够快，可在患者皮肤上实时使用，为更安全的床边诊断以及治疗和手术过程中的更好引导打开了可能性。

温和的波段能看到水分与结构

太赫兹波处于微波与红外光之间，能量很低，因此不像X射线那样对组织产生电离效应。它们对水分高度敏感，这使得太赫兹波特别能反映皮肤及其下方组织的湿润或干燥程度。由于癌症、疤痕、烧伤等常常改变组织含水量和结构，太赫兹信号能揭示普通光学或超声可能看不到的对比。然而到目前为止，许多太赫兹成像装置仍是大型台式系统，需在样品上慢速扫描，这限制了它们在繁忙诊所或手术室的实用性。

由光纤全驱动的紧凑探头

研究者通过构建一个全光纤耦合的太赫兹成像系统并将其围绕可移动的小型探头设计，解决了这些实际障碍。与用笨重的自由空间镜面引导太赫兹束不同，他们通过类似电信中使用的柔性光纤传输用于产生和检测太赫兹脉冲的光。在探头内部，石英棱镜和一片薄硅片贴压在样品表面。太赫兹波进入棱镜，在硅-样品界面处掠过并以被称为衰减全反射的方式反射回去，这一过程对探头下方薄层组织的性质高度敏感。

用光绘制图案来构建图像

为了避免缓慢的机械扫描，团队采用了“单像素”成像策略。他们不是逐点测量图像，而是使用蓝色激光和数字微镜器件通过成像光纤束向硅片投射一系列精心设计的光学图案。这些图案在局部改变硅与太赫兹波的相互作用，等效地在太赫兹束上刻画出相应的图案。对每个图案，一个单一探测器记录总反射太赫兹信号，计算机则从许多此类测量中数学重建图像。通过基于特殊哈达玛矩阵选择图案，并利用硅片在仅几个微秒内衰减电响应的特性，系统可以以每秒高达2万次的速率切换图案。这带来了视频速率成像，空间分辨率约为360微米——足以分辨细小皮肤特征——同时实现每秒超过3万个图像像素，是先前可比系统速度的五倍以上。

在金属图样、动物组织与人体皮肤上的测试

为验证成像质量，作者首先对石英基底上一枚微小的金属“车轮”图样进行成像。太赫兹图像清晰显示出金属辐条的高对比度，与光学照片相符，证明了系统的分辨率和稳定性。随后，他们对一块含有脂肪与富含蛋白的区域的猪组织进行测试。由于脂肪含水量较低且分子振动与蛋白不同，两种区域在太赫兹信号强度和频率相位上呈现不同特征，从而能够清晰地描绘出边界。最后，团队在一名志愿者的手臂上演示了实时体内成像。太赫兹探头轻松区分出干燥的结痂与周围更为水合的健康皮肤，重现了结痂的形状，证明该技术可在活体组织上实时工作。

为未来诊室带来更快更友好的扫描

总体而言，这项工作表明太赫兹成像可以封装为由光纤供给的手持式传感器，提供快速、非接触、非电离的皮下组织视图。通过结合衰减全反射、单像素成像以及对硅特性的巧妙利用，系统在紧凑的外形下实现了高速、精细与鲁棒性。经过进一步开发，此类设备有望帮助医生诊断皮肤癌、监测伤口愈合、指导精确切除病变组织，甚至与机器人平台集成，实现床边自动化、安全且温和的成像。

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

关键词: 太赫兹成像, 单像素成像, 生物医学诊断, 皮肤癌, 非侵入光谱