DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68290-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526371
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Sen Mou وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا التيراهيرتز وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم البحث نظام تصوير أحادي البكسل بتقنية الانعكاس الداخلي الكلي المخفف (THz) متصل بالكامل بالألياف، مصمم للتغلب على قيود أنظمة THz الحالية، مثل السرعة والحجم والقدرة على التكيف للتطبيقات في الموقع. هذه البنية المدمجة والمرنة مناسبة بشكل خاص للطيف غير المدمر والتصوير الحي، مما يسمح بإجراء قياسات مباشرة على المرضى.
تتمثل إحدى الابتكارات الرئيسية في هذا النظام في استخدام جهاز تعديل الضوء المكاني THz المصنوع من شريحة سيليكون غير مُعالجة، مما يمكّن من تعديل عالي السرعة وتصوير بمعدل فيديو بدقة مكانية تبلغ 360 ميكرومتر. يحقق النظام معدل تصوير مثير للإعجاب يزيد عن 30,000 بكسل في الثانية للصور بحجم 64 في 64، مما يمثل زيادة تزيد عن خمسة أضعاف مقارنة بالتقنيات الحالية المتطورة. يعزز هذا التقدم بشكل كبير من قدرات التصوير THz في الوقت الحقيقي، مما يجعله أداة واعدة للتشخيصات الطبية الحيوية وتحليل المواد.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الناشئ للضوء بتقنية التيراهيرتز (THz) كبديل غير مدمر وغير مؤين للأشعة السينية في الطيف والتصوير، خاصة لتقييم الأنسجة البيولوجية. نظرًا لطاقة الفوتون المنخفضة والحساسية العالية لمحتوى الماء، يمكن لتقنية الطيف THz التمييز بفعالية بين الأنسجة السرطانية والعادية من خلال تحليل خصائص التوهين المميزة لها. تمتد هذه القدرة إلى مراقبة توصيل الأدوية عبر الجلد، وتقييم تأثيرات انسداد الجلد، وتقييم تأثير مستحضرات التجميل على ترطيب الجلد. بالإضافة إلى ذلك، تجد تقنية الطيف THz تطبيقات في الزراعة وعلوم البيئة، كما يتضح من الدراسات التي تحدد العدوى الفطرية في الكستناء وتقييم تأثيرات التعرض للمعادن الثقيلة على طول سلسلة الدياتوم.
تناقش الورقة أيضًا مزايا تقنيات الطيف الناقل THz وتقنيات الانعكاس الكلي المخفف (ATR) لتوصيف مواد مختلفة، بما في ذلك الأفلام الرقيقة والعوازل. يتم الإشارة إلى التقدمات الأخيرة، مثل تطوير منشور الانعكاس الداخلي الثلاثي لتعزيز الحساسية وطرق تطبيق ATR على عينات أرق. علاوة على ذلك، يتم استكشاف دمج ATR THz مع أجهزة تعديل الضوء المكاني القائمة على أشباه الموصلات (SLMs)، مع التأكيد على أهمية تحسين عمر الناقل للحصول على عمق تعديل أفضل ودقة مكانية. يقدم المؤلفون تطويرهم لنظام ATR THz عريض النطاق متصل بالكامل بالألياف، والذي يعد بتسهيل التصوير الحي، في الجسم، للأنسجة البيولوجية، مع آثار كبيرة لتشخيص سرطان الجلد غير الجراحي والتدخلات الجراحية الموجهة بدقة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج من غير المحتمل أن تكون قد حدثت بالصدفة.
علاوة على ذلك، تحدد الدراسة اتجاهات محددة تدعم الفرضيات الأولية، بما في ذلك زيادة ملحوظة في المتغير المستجيب المقاس مع تعديل المتغير المستقل. توضح التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية أو المخططات، هذه الاتجاهات، مما يوفر تأكيدًا بصريًا للبيانات الكمية. بشكل عام، تدعم النتائج الإطار النظري المقترح في المقدمة، مما يقدم رؤى يمكن أن توجه اتجاهات البحث المستقبلية.
المناقشة
يقدم البحث نظام THz ATR SPI متصل بالكامل بالألياف، والذي يجمع بين مزايا الاتصال الكامل بالألياف، والانكسار الكلي المخفف (ATR)، والتصوير المحلّل مكانيًا (SPI) للتصوير الفعال في الموقع وفي الجسم للأنسجة البيولوجية. يسمح تصميم النظام بالمرونة والمدمجة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات المحمولة أو الروبوتية. تظهر النتائج التجريبية قدرته على التمييز بين البروتين والدهون في عينات الأنسجة الخنزيرية، مما يعرض حساسية النظام وأداء التصوير.
تستخدم عملية التصوير عينة عربة ذهبية، حيث يتم عكس وإكتشاف إشارات THz، مع تسهيل زاوية بروستر النقل الكامل إلى الركيزة الكوارتزية. تكشف نتائج التصوير عن قيم عالية لإشارات THz في المناطق المعدنية مقارنة بقيم منخفضة في مناطق الكوارتز. يحقق النظام معدل إطار يبلغ 2.2 إطار في الثانية (8,912 بكسل في الثانية) أثناء التصوير الحي للقشور على جلد الإنسان، مما يميز بفعالية بين القشرة والأنسجة الصحية بناءً على اختلافات انعكاس إشارة THz. تشير النتائج إلى أن تصميم النظام ومعايير التشغيل، بما في ذلك معدلات تبديل DMD ودقة البكسل، تعزز بشكل كبير من سرعة التصوير ودقته، مما يجعله أداة واعدة للتطبيقات الطبية الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68290-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526371
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Sen Mou et al.
Primary Topic: Terahertz technology and applications
Overview
The research presents a novel fully fibre-coupled terahertz (THz) attenuated total internal reflection single-pixel imaging system designed to overcome the limitations of existing THz systems, such as speed, size, and adaptability for in situ applications. This compact and flexible architecture is particularly suited for non-destructive spectroscopy and in vivo imaging, allowing for direct measurements on patients.
A key innovation in this system is the use of a THz spatial light modulator constructed from an unpassivated silicon wafer, which enables high-speed modulation and video-rate imaging with a spatial resolution of 360 µm. The system achieves an impressive imaging throughput of over 30,000 pixels per second for 64-by-64 images, marking a more than five-fold increase compared to current state-of-the-art technologies. This advancement significantly enhances the capabilities of real-time THz imaging, making it a promising tool for biomedical diagnostics and material analysis.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the emerging role of terahertz (THz) light as a non-destructive and non-ionizing alternative to X-rays in spectroscopy and imaging, particularly for biological tissue evaluation. Due to its low photon energy and high sensitivity to water content, THz spectroscopy can effectively differentiate between cancerous and normal tissues by analyzing their distinct THz attenuation characteristics. This capability extends to monitoring transdermal drug delivery, assessing skin occlusion effects, and evaluating the impact of cosmetics on skin hydration. Additionally, THz spectroscopy finds applications in agriculture and environmental science, as demonstrated by studies identifying fungal infections in chestnuts and assessing the effects of heavy metal exposure on diatom chain length.
The paper also discusses the advantages of THz transmission spectroscopy and attenuated total reflection (ATR) techniques for characterizing various materials, including thin films and dielectrics. Recent advancements, such as the development of a triple internal reflection prism to enhance sensitivity and methods to apply ATR to thinner samples, are noted. Furthermore, the integration of THz ATR with semiconductor-based spatial light modulators (SLMs) is explored, emphasizing the importance of optimizing carrier lifetime for improved modulation depth and spatial resolution. The authors present their development of an all-fibre-coupled broadband THz ATR system, which promises to facilitate real-time, in vivo imaging of biological tissues, with significant implications for non-invasive skin cancer diagnosis and precision-guided surgical interventions.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are unlikely to have occurred by chance.
Furthermore, the study identifies specific trends that support the initial hypotheses, including a notable increase in the measured response variable as the independent variable was manipulated. Graphical representations, such as plots or charts, illustrate these trends, providing visual confirmation of the quantitative data. Overall, the results substantiate the theoretical framework proposed in the introduction, offering insights that could inform future research directions.
Discussion
The research presents an all-fibre-coupled THz ATR SPI system, which integrates the advantages of all-fibre coupling, attenuated total reflection (ATR), and spatially resolved imaging (SPI) for effective in situ and in vivo imaging of biological tissues. The system’s design allows for flexibility and compactness, making it suitable for handheld or robotic applications. Experimental results demonstrate its capability to differentiate between protein and fat in porcine tissue samples, showcasing the system’s sensitivity and imaging performance.
The imaging process utilizes a golden cartwheel sample, where THz signals are reflected and detected, with the Brewster angle facilitating full transmission into the quartz substrate. The imaging results reveal high THz signal values in metallic regions compared to low values in quartz areas. The system achieves a frame rate of 2.2 FPS (8,912 PPS) during in vivo imaging of scabs on human skin, effectively distinguishing between scab and healthy tissue based on THz signal reflection differences. The findings indicate that the system’s design and operational parameters, including DMD switching rates and pixel resolution, significantly enhance imaging speed and resolution, making it a promising tool for biomedical applications.