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太赫兹射线揭示皮肤下方组织
发布时间:2020-12-10 19:22:12 阅读:132

来源:University of Warwick;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 于曙超 黄勇 编译

使用T射线设备扫描个人皮肤的演示。图片来源:华威大学(University of Warwick)

    一种使用太赫兹射线辐射分析皮肤结构的新方法,可以帮助改善皮肤状况的诊断和治疗,如湿疹、银屑病和皮肤癌。

    来自英国华威大学和中国香港中文大学的科学家表明,使用一种分析从多个不同角度发射的T射线的方法,他们可以比现有的方法更详细地了解皮肤区域的结构和水合程度。

    他们的方法发表在《高级光子学研究》上,可以为科学家和临床医生提供一种新的工具来描述个人皮肤的特性,以帮助管理和治疗皮肤状况。

    太赫兹(THz)辐射,或称T射线,是位于红外和WiFi之间的电磁光谱。T射线可以穿透许多常见的材料,如塑料、陶瓷和衣服,使它们在无创检测中具有潜在的用途。T射线的低能光子也是非电离的,这使它们在包括安全和医疗检查的生物环境中非常安全。

    只有通过皮肤外层前(角质层和表皮层)反射回来的T射线才能被检测到,因为那些穿透更深的波被衰减太多。这使得T射线成像成为监测这些最外层的潜在有效方法。为了验证这一点,太赫兹光通过棱镜聚焦到皮肤上,使光线在特定的焦平面上对齐。根据皮肤的特征,光会轻微不同地反射回来。然后,科学家可以比较光线进入皮肤之前和之后的性质。

    然而,标准的THz反射光谱存在局限性,为了克服这些局限性,这项新研究背后的科学家们使用了椭圆偏振法,这涉及到将T射线多个角度聚焦在同一区域的皮肤上。

    他们成功地证明,使用椭圆偏振测量,可以在两个彼此正交的方向准确地计算皮肤折射率(由射线穿过的快慢决定)。这些折射率之间的差异被称为双折射——这是第一次在体内测量人类皮肤的THz双折射。这些特性可以提供关于皮肤中有多少水的有价值的信息,并使皮肤厚度能够被计算出来。

    来自华威大学物理系和香港中文大学电子工程系的Emma Pickwell-MacPherson教授说:“我们想证明我们可以在人类皮肤上进行体内椭圆测量并通过精确计算得到皮肤的特性”。在传统的太赫兹反射成像中,我们可以把厚度和折射率合成一个参数。通过从多个角度进行测量,我们也可以将两者分开。

    水合皮肤与脱水皮肤具有不同的折射率。对于皮肤病患者,通过太赫兹成像技术,我们可以定量探测他们皮肤的水合作用,它比现有的技术更加有效。如果你在尝试为湿疹或牛皮癣患者改进护肤品,这项技术也能用于不同护肤品对皮肤改善情况的定量分析,或者区分不同类型的皮肤。

    对于皮肤癌患者,在手术开始之前我们同样可以使用太赫兹成像技术去探测皮肤,以更好的了解癌细胞扩散的程度。皮肤癌会影响皮肤的特性,并且有些种类的皮肤癌是肉眼看不见的,由于它们在皮肤之下。

    本文的第一作者,香港中文大学电子工程系的博士后研究员陈学全(音译)博士说:“众所周知,太赫兹波对皮肤的水合程度十分敏感。除此之外,我们指出角质层的细胞结构对太赫兹反射也有反应。我们的技术可以灵敏地探测到这个结构特性,因此提供了关于皮肤的全面信息,并对皮肤诊断方面具有很高的价值。”

    为了测试他们的方法,在志愿者适应了实验室的温度和干燥度之后,研究人员让他们把手臂放在太赫兹设备的成像窗口上扫描30分钟。通过将皮肤紧贴在成像窗口的表面,他们阻止了因流汗而导致的水分流失,这一过程可以看作一个闭塞。

    研究人员在半个小时内每两分钟进行四次互为直角的测量,所以他们可以实时监测闭塞的影响,因为太赫兹波对水十分敏感,他们可以看到一个明显的差异,随着皮肤内水分的累积,表明了这个方法可以用于测量不同护肤品对保持皮肤水分的效果。

    进一步的研究将着眼于改进这个过程中的设备,以及使它如何能像一个实用设备一样工作。

    Emma Pickwell-MacPherson说:“我们还没有研发出让临床医生使用的真正高精度的皮肤测量仪器,皮肤科医生们需要更高精度并便于操作的仪器。如果这项工作取得好的成果,那么你可以去诊所,把你的手臂放在一个屏幕上,你的闭塞曲线就会被画出来并且适合你的皮肤的护肤品将会被推荐给你。我们可以制作更多的定制药品,开发针对不同皮肤的护肤品。它真的很适合当前对定制药物的关注。

 
 

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