Onderzoekers hebben een nieuwe terahertz-beeldvormingsbenadering ontwikkeld die, Voor de eerste keer, kan resolutiebeelden op micronschaal verwerven met behoud van computationele benaderingen die zijn ontworpen om de beeldacquisitie te versnellen. Door deze combinatie kan terahertz-beeldvorming nuttig zijn voor het detecteren van huidkanker in een vroeg stadium zonder dat een weefselbiopsie van de patiënt nodig is.

Terahertz-golflengten vallen tussen microgolven en infrarood licht op het elektromagnetische spectrum. Licht in deze regio is ideaal voor biologische toepassingen omdat, in tegenstelling tot röntgenstralen, het draagt ​​niet genoeg energie om weefsel te beschadigen. Ander onderzoek heeft aangetoond dat huidkankercellen terahertz-licht sterker absorberen dan gezonde cellen, wat aantoont dat terahertz-beeldvorming nuttig kan zijn om onderscheid te maken tussen kankerachtig en gezond weefsel.

"Huidkanker kan nu al worden opgespoord met terahertz-licht, maar vanwege de lage resolutie van de huidige beeldvormingsbenaderingen, de kanker kan pas worden gezien nadat deze behoorlijk groot is geworden, " zei de leider van het onderzoeksteam, Rayko Stantchev van de Universiteit van Exeter, VK. "Ideaal, we willen de kanker vroeg opsporen, als het nog klein is. We hopen dat terahertz-afbeeldingen met hoge resolutie, gecombineerd met de mogelijkheid om snel een foto te maken, zou uiteindelijk kunnen leiden tot een apparaat dat kanker kan detecteren in het kantoor van de dokter."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, de onderzoekers toonden aan dat hun near-field-benadering van terahertz-beeldvorming een ruimtelijke resolutie van ongeveer negen micron kan bereiken en compatibel was met gecomprimeerde detectie en adaptieve beeldalgoritmen die drie keer snellere beeldacquisitie mogelijk maken dan conventionele technologieën.

Naast de praktische voordelen voor medische beeldvorming, het onderzoek vertegenwoordigt ook een nieuwe manier om terahertz-beeldvorming met hoge resolutie te bereiken. Bij conventionele beeldvorming ruimtelijke resolutie wordt beperkt door de diffractielimiet, die wordt bepaald door de golflengte van het licht dat wordt gebruikt. Hoewel de meeste beeldvormingstechnieken verstrooid licht op enige afstand van het afgebeelde object detecteren, de onderzoekers overwonnen de diffractielimiet door een unieke opstelling te gebruiken om dichtbij te meten, of nabij het veld, interacties van terahertz-golven met het object dat wordt afgebeeld. Hun aanpak produceerde een resolutie van ongeveer 1/45 van de golflengte die voor beeldvorming werd gebruikt.

"Dit is de eerste experimentele demonstratie, voor elk spectraal gebied, waaruit blijkt dat gecomprimeerde detectie en adaptieve beeldvorming kunnen worden uitgevoerd bij resoluties die veel kleiner zijn dan de golflengte van het licht dat voor beeldvorming wordt gebruikt, "Zei Stantchev. "Door aan te tonen dat dit fysiek mogelijk is, kunnen ingenieurs en wetenschappers beginnen na te denken over het volledige potentieel van deze aanpak."

Subgolflengte terahertz-beeldvorming

De belangrijkste innovatie die de nieuwe aanpak mogelijk maakte, was een digitaal microspiegelapparaat (DMD), een reeks kleine spiegels die elk door een computer kunnen worden bestuurd. De onderzoekers gebruiken de DMD om een ​​patroon van 800 nm licht op een siliciumwafel te projecteren, waardoor de wafer ondoorzichtig is voor terahertz-licht in gebieden waar het 800 nm-licht het silicium raakt. Dit betekent dat wanneer een terahertz-straal door de wafer gaat, het creëert een terahertz-straal met patroon aan de andere kant van de wafer die vervolgens kan interageren met een object dat wordt afgebeeld. Omdat het patroon dat door de DMD is gemaakt bekend is, een computer kan een afbeelding van het object reconstrueren op basis van het gedetecteerde terahertz-licht.

Omdat near-field terahertz-beeldvormingsmethoden doorgaans worden geplaagd door lage acquisitiesnelheden, de onderzoekers ontwierpen hun aanpak om compatibel te zijn met gecomprimeerde detectie en adaptieve bemonsteringsalgoritmen die de beeldsnelheid verhogen. Deze algoritmen werken op dezelfde manier als beeldcompressie, die de grootte van een afbeelding verkleint door alle gegevens te verwijderen die niet nodig zijn om een ​​afbeelding visueel waar te nemen. Compressed sensing en adaptieve beeldalgoritmen gaan nog een stap verder door de onnodige gegevens te negeren om mee te beginnen, beeldvorming versnellen door alleen de vitale componenten van het beeld te meten.

"We hebben deze algoritmen gebruikt om te bepalen welke delen van de wafer transparant zijn en welke niet. in wezen het creëren van pixels, " zei Stantchev. "Omdat we een terahertz-detector met één pixel gebruikten, normaal zou elke pixel één meting krijgen. Echter, door veel transparante pixels in één meting te maken, een afbeelding kan sneller worden verkregen door minder metingen te doen dan het aantal pixels."

De onderzoekers gebruikten hun opstelling om een ​​verscheidenheid aan objecten in beeld te brengen en toonden aan dat de methode armen van een metalen radslag kon onderscheiden die ongeveer negen micron van elkaar verwijderd waren.

Op weg naar praktisch

"Voor onze huidige opstelling, we moeten een zeer intense laser gebruiken om de siliciumwafels ondoorzichtig te maken, " zei Stantchev. "Deze laser is erg groot en duur, dus om deze aanpak praktisch te maken, moesten we uitzoeken hoe we dit konden doen met een veel goedkopere en kleinere laser."

Stantchev werkt nu samen met onderzoekers van de Chinese Universiteit van Hong Kong die een andere optische opstelling hebben gemaakt die de siliciumwafels mogelijk ondoorzichtig kan maken met een minder krachtige laser. De onderzoekers werken nu samen om te zien of deze benadering het mogelijk maakt om subgolflengte terahertz-afbeeldingen te verkrijgen met behulp van een laser die ongeveer $ 200 kost in plaats van de bijna $ 400, 000 laser gebruikt voor het werk gerapporteerd in de optiek papier.

"Dit is een stap in de richting van het meer compatibel maken van de techniek met biologische toepassingen, " zei Stantchev. "Uiteindelijk, we stellen ons een apparaat voor dat in de spreekkamer zou kunnen worden gebruikt en dat snel zou onthullen of er huidkanker aanwezig is."