Forskare har utvecklat en ny terahertz-avbildningsmetod som, för första gången, kan förvärva bilder i mikronskala med upplösning samtidigt som de behåller beräkningsmetoder utformade för att påskynda bildinsamlingen. Denna kombination kan göra att terahertz-avbildning kan vara användbar för att upptäcka hudcancer i ett tidigt stadium utan att behöva en vävnadsbiopsi från patienten.

Terahertz-våglängder faller mellan mikrovågor och infrarött ljus på det elektromagnetiska spektrumet. Ljus i denna region är idealisk för biologiska tillämpningar eftersom, till skillnad från röntgen, den bär inte tillräckligt med energi för att skada vävnaden. Annan forskning har visat att hudcancerceller absorberar terahertzljus starkare än friska celler, visar att terahertz-avbildning kan vara användbar för att skilja mellan cancerös och frisk vävnad.

"Hudcancer kan redan upptäckas med terahertz-ljus, men på grund av den låga upplösningen av nuvarande bildbehandlingsmetoder, cancern kan bara ses efter att den har vuxit sig ganska stor, " sa forskargruppens ledare, Rayko Stantchev från University of Exeter, STORBRITANNIEN. "Helst, vi vill upptäcka cancern tidigt, när den fortfarande är liten. Vi hoppas att högupplösta terahertz-bilder, kombinerat med förmågan att ta en bild snabbt, kan så småningom leda till en enhet som kan upptäcka cancer på läkarmottagningen."

I Optica , The Optical Societys tidskrift för forskning med hög effekt, forskarna visade att deras närfältsmetod för terahertz-avbildning kan uppnå en rumslig upplösning på cirka nio mikron och var kompatibel med komprimerad avkänning och adaptiva bildbehandlingsalgoritmer som tillåter tre gånger snabbare bildinsamling än konventionell teknik.

Förutom dess praktiska fördelar för medicinsk bildbehandling, forskningen representerar också ett nytt sätt att åstadkomma högupplöst terahertz-avbildning. Vid konventionell bildbehandling, rumslig upplösning begränsas av diffraktionsgränsen, som bestäms av ljusets våglängd. Även om de flesta bildtekniker upptäcker spritt ljus på ett visst avstånd från objektet som avbildas, forskarna övervann diffraktionsgränsen genom att använda en unik uppsättning för att mäta nära, eller närområde, interaktioner mellan terahertzvågor och objektet som avbildas. Deras tillvägagångssätt gav en upplösning på cirka 1/45 av våglängden som användes för avbildning.

"Detta är den första experimentella demonstrationen, för vilket spektralområde som helst, som visar att komprimerad avkänning och adaptiv bildåtergivning kan utföras vid upplösningar som är mycket mindre än våglängden på ljuset som används för avbildning, ", sa Stantchev. "Att visa att detta är fysiskt möjligt kommer att göra det möjligt för ingenjörer och vetenskapsmän att börja fundera över den fulla potentialen av detta tillvägagångssätt."

Subvåglängd terahertz-avbildning

Den primära innovationen som gjorde det nya tillvägagångssättet möjligt var en digital mikrospegelenhet (DMD), en rad små speglar som var och en kan styras av en dator. Forskarna använder DMD för att projicera ett mönster av 800nm ​​ljus på en kiselskiva, vilket gör wafern ogenomskinlig för terahertz-ljus i områden där 800nm-ljuset träffar kislet. Detta betyder att när en terahertzstråle passerar genom skivan, den skapar en mönstrad terahertzstråle på andra sidan av skivan som sedan kan interagera med ett objekt som avbildas. Eftersom mönstret som skapas av DMD är känt, en dator kan rekonstruera en bild av objektet baserat på det detekterade terahertzljuset.

Eftersom när-fältet terahertz-avbildningsmetoder vanligtvis plågas av långsamma insamlingshastigheter, forskarna utformade sitt tillvägagångssätt för att vara kompatibelt med komprimerad avkänning och adaptiva samplingsalgoritmer som ökar hastigheten för avbildning. Dessa algoritmer fungerar på samma sätt som bildkomprimering, som minskar storleken på en bild genom att ta bort all data som inte behövs för att visuellt uppfatta en bild. Komprimerade avkänningsalgoritmer och adaptiva bildbehandlingsalgoritmer tar detta ett steg längre genom att ignorera onödiga data till att börja med, påskynda bildtagningen genom att endast mäta de vitala komponenterna i bilden.

"Vi använde dessa algoritmer för att bestämma vilka regioner av skivan som är transparenta och vilka regioner som inte är transparenta, skapar i huvudsak pixlar, ", sa Stantchev. "Eftersom vi använde en enpixel terahertzdetektor, normalt skulle varje pixel få en mätning. Dock, genom att skapa många genomskinliga pixlar i en mätning, en bild kan erhållas snabbare genom att ta färre mätningar än antalet pixlar."

Forskarna använde sin uppställning för att avbilda en mängd olika objekt och visade att metoden kunde urskilja armar på ett metalliskt vagnhjul som var åtskilda med cirka nio mikrometer.

Går mot det praktiska

"För vår nuvarande installation, vi måste använda en mycket intensiv laser för att göra kiselskivorna ogenomskinliga, " sa Stantchev. "Den här lasern är väldigt stor och dyr, så för att göra detta tillvägagångssätt praktiskt behövde vi ta reda på hur vi skulle göra det med en mycket billigare och mindre laser."

Stantchev arbetar nu med forskare vid det kinesiska universitetet i Hong Kong som har skapat en annan optisk uppsättning som kanske kan göra kiselskivorna ogenomskinliga med en mindre kraftfull laser. Forskarna arbetar nu tillsammans för att se om detta tillvägagångssätt kan göra det möjligt att få subvåglängd terahertz-bilder med hjälp av en laser som kostar runt 200 dollar istället för nästan 400 dollar, 000 laser används för det arbete som rapporterats i Optica papper.

"Detta är ett steg mot att göra tekniken mer kompatibel med biologiska tillämpningar, sade Stantchev. Till slut, vi föreställer oss en enhet som kan användas på läkarmottagningen som snabbt skulle avslöja om hudcancer är närvarande."