Ny terahertz -billeddannelsesmetode kan fremskynde påvisning af hudkræft

Forskere har udviklet en ny terahertz -billeddannelsesmetode, der, for første gang, kan erhverve opløsningsbilleder i mikronskala og samtidig bevare beregningsmetoder designet til at fremskynde billedoptagelse. Denne kombination kunne tillade terahertz-billeddannelse at være nyttig til påvisning af hudkræft i et tidligt stadium uden at kræve en vævsbiopsi fra patienten.

Terahertz -bølgelængder falder mellem mikrobølger og infrarødt lys på det elektromagnetiske spektrum. Lys i denne region er ideelt til biologiske anvendelser, fordi, i modsætning til røntgenstråler, den har ikke nok energi til at skade væv. Anden forskning har vist, at hudkræftceller absorberer terahertz -lys stærkere end raske celler, viser, at terahertz -billeddannelse kan være nyttig til at skelne mellem kræft og sundt væv.

"Hudkræft kan allerede påvises ved hjælp af terahertz -lys, men på grund af den lave opløsning af nuværende billeddannelsesmetoder, kræften kan først ses, når den er vokset sig ret stor, "sagde forskerholdets leder, Rayko Stantchev fra University of Exeter, Storbritannien. "Ideelt set, vi ønsker at opdage kræften tidligt, når den stadig er lille. Vi håber, at terahertz-billeder i høj opløsning, kombineret med evnen til hurtigt at tage et billede, i sidste ende kunne føre til en enhed, der kunne opdage kræft på lægens kontor. "

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskerne viste, at deres nærfelt-tilgang til terahertz-billeddannelse kan opnå en rumlig opløsning på omkring ni mikron og var kompatibel med komprimeret sansning og adaptive billeddannelsesalgoritmer, der tillader tre gange hurtigere billedoptagelse end konventionelle teknologier.

Ud over de praktiske fordele ved medicinsk billeddannelse, forskningen repræsenterer også en ny måde at opnå terahertz -billeddannelse i høj opløsning. Ved konventionel billeddannelse, rumlig opløsning er begrænset af diffraktionsgrænsen, som bestemmes af bølgelængden af ​​det anvendte lys. Selvom de fleste billedteknikker detekterer spredt lys i en vis afstand fra objektet, der skal afbildes, forskerne overvandt diffraktionsgrænsen ved at bruge et unikt setup til at måle tæt, eller nær felt, interaktioner mellem terahertz -bølger og det objekt, der skal afbildes. Deres fremgangsmåde frembragte en opløsning på omkring 1/45 af den bølgelængde, der blev brugt til billeddannelse.

"Dette er den første eksperimentelle demonstration, for enhver spektral region, viser, at komprimeret sansning og adaptiv billeddannelse kan udføres ved opløsninger, der er meget mindre end lysets bølgelængde, der bruges til billeddannelse, "sagde Stantchev." Ved at vise, at dette er fysisk muligt, vil ingeniører og forskere begynde at tænke over det fulde potentiale i denne tilgang. "

Subbølgelængde terahertz billeddannelse

Den primære innovation, der gjorde den nye tilgang mulig, var en digital mikromirror -enhed (DMD), en række små spejle, der hver kan styres af en computer. Forskerne bruger DMD til at projicere et mønster af 800 nm lys på en siliciumskive, hvilket gør skiven uigennemsigtig til terahertz lys i områder, hvor 800nm ​​lyset rammer silicium. Det betyder, at når en terahertz -stråle passerer gennem skiven, det skaber en mønstret terahertz -stråle på den anden side af skiven, der derefter kan interagere med et objekt, der skal afbildes. Fordi mønsteret oprettet af DMD er kendt, en computer kan rekonstruere et billede af objektet baseret på det detekterede terahertz -lys.

Fordi nærfelt terahertz billeddannelsesmetoder typisk er plaget af langsomme erhvervelseshastigheder, forskerne designet deres tilgang til at være kompatibel med komprimeret sansning og adaptive samplingsalgoritmer, der øger billedhastigheden. Disse algoritmer fungerer på samme måde som billedkomprimering, hvilket reducerer størrelsen på et billede ved at slippe af med data, der ikke er nødvendige for visuelt at opfatte et billede. Komprimeret sansning og adaptive billeddannelsesalgoritmer tager dette et skridt længere ved at ignorere unødvendige data til at begynde med, fremskynde billeddannelsen ved kun at måle de vitale komponenter i billedet.

"Vi brugte disse algoritmer til at bestemme, hvilke områder af skiven der er gennemsigtige, og hvilke områder der ikke er gennemsigtige, hovedsageligt at skabe pixels, "sagde Stantchev." Fordi vi brugte en terahertz-detektor med en pixel, normalt ville hver pixel få en måling. Imidlertid, ved at skabe mange transparente pixels i en måling, et billede kan erhverves hurtigere ved at tage færre målinger end antallet af pixels. "

Forskerne brugte deres opsætning til at forestille forskellige objekter og viste, at metoden kunne skelne arme på et metallisk vognhjul, der var adskilt omkring ni mikrometer fra hinanden.

På vej mod det praktiske

"For vores nuværende opsætning, vi skal bruge en meget intens laser til at gøre siliciumpladerne uigennemsigtige, "sagde Stantchev." Denne laser er meget stor og dyr, så for at gøre denne tilgang praktisk skulle vi finde ud af, hvordan man gør det ved hjælp af en meget billigere og mindre laser. "

Stantchev arbejder nu med forskere ved det kinesiske universitet i Hong Kong, der har skabt en anden optisk opsætning, der muligvis kan gøre siliciumpladerne uigennemsigtige ved hjælp af en mindre kraftfuld laser. Forskerne arbejder nu sammen for at se, om denne fremgangsmåde kan gøre det muligt at erhverve terahertz -billeder med subbølgelængde ved hjælp af en laser, der koster omkring $ 200 i stedet for de næsten $ 400, 000 laser brugt til arbejdet rapporteret i Optica papir.

"Dette er et skridt i retning af at gøre teknikken mere kompatibel med biologiske applikationer, "sagde Stantchev." Til sidst, vi forestiller os en enhed, der kunne bruges på lægens kontor, der hurtigt ville afsløre, om hudkræft er til stede. "