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新的太赫兹成像方法可以加速皮肤癌的检测
发布时间:2017-09-15 09:21:24 阅读:401

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组 李征 编译

为了实现高分辨率太赫兹成像,研究人员利用数字微镜设备,以一种特定的图像投射激光到硅片。当太赫兹光束通过晶片时,基于检测到的太赫兹光的信号,计算机可以重建原图像。插图显示在6 毫米厚的硅晶片上的测试目标(黄色扇叶)的光学图像。
图片来源:Rayko Stantchev, University of Exeter

    研究人员开发了一种新的太赫兹成像方法,首先可以获得微米尺度分辨率图像,同时保留旨在提高图像采集速度的计算方法。这种组合可以使太赫兹成像用于检测早期皮肤癌而无需病人进行组织活检。

    太赫兹波长在电磁波谱上介于微波和红外线之间。这一频段的波是生物应用的理想选择,因为不同于 x 射线,它不用携带足够的能量去损伤组织。其他研究表明皮肤癌细胞比正常细胞更强烈的吸收太赫兹光,这证实了太赫兹成像可用于区分癌细胞和健康组织。

    “我们已经可以用太赫兹光来检测皮肤癌,但由于目前成像方法的分辨率低,只有当癌症组织变的相当大之后才能被发现”,University of Exeter, UK研究团队的领导人Rayko Stantchev说,“理想情况下,我们希望在癌症还很小的时候尽早发现它。我们希望高分辨率的太赫兹图像再结合快速拍摄图像的能力,最终会产生一种能在医生办公室检测癌症的装置。
 
    在美国光学学会的高影响力研究期刊Optical中,研究人员展示了其用太赫兹成像的近场方法,可以达到约9微米空间分辨率,并且兼容压缩传感和自适应成像算法的研究,相比较传统技术,其图像采集速度要快3倍。

    除了为医学成像带来实际用途外,该研究还展现了一种实现高分辨率太赫兹成像的新方式。在常规成像技术中,空间分辨率受到衍射极限的限制,而衍射极限又被所使用的光的波长限制。尽管大多数成像技术都能探测到物体上的散射光,但研究人员利用一种独特的装置来测量近距离或近场的衍射极限,并将其与物体的成像技术联系起来,从而克服了衍射极限。他们的方法获得的分辨率约用于成像的光的1/45波长。

    "这是第一次对任何光谱区域进行的实验论证,显示压缩传感和自适应成像可以在比成像波长更小的分辨率下进行,"Stantchev 说。"显示了这些物理上的可能性将允许工程师和科学家们开始思考这种方法的全部潜力"。

    亚波长太赫兹成像

    使这种新方法成为可能的主要创新是一种数字微镜器件 (DMD),这是一组每个都可以由计算机控制的小镜子。研究人员使用 DMD 将800nm光的图像投射到硅晶片上,使晶圆片在800nm的光照过的地方对于太赫兹波不透明。这意味着当太赫兹波穿过晶圆片时,它会在晶圆片的另一边产生一个被图案调制过的太赫兹波,其可以与被成像的对象进行交互。因为由 DMD 产生的图案已知,电脑可以基于检测到的太赫兹光重建物体图像。

    由于近场太赫兹成像方法通常饱受缓慢的采集速度的影响,研究人员设计了一套能够兼容压缩传感和自适应采样算法的方法,从而提高了成像速度。这些算法工作方式与图像压缩类似,通过去除视觉感知图像时不需要的数据来减少图像的大小。压缩传感和自适应成像算法走的更远,从一开始就通过忽略不必要的数据,从而加快成像,只测量图像的关键部分。

    “我们用这些算法来确定晶圆片的哪些区域是透明的和哪些区域是不透明的,本质上创建像素,”Stantchev说。“因为我们使用的是单像素太赫兹探测器,通常每个像素都将获得一次测量。然而,通过在一次测量中创建许多透明像素,可以通过比像素数量更少的测量获得更快的图像”。

    研究人员通过他们的装置为各种对象进行成像,并显示该方法能辨别出金属车轮相距大约9个微米的间距。

    走向实用性

    “对于我们当前的装置,我们必须使用很强的激光使硅晶片不透明的,” Stantchev 说。“这种激光非常庞大而且昂贵,所以,为了使这种方法更实用,我们需要用一种更便宜、更小的激光器来做它”。

    Stantchev现在正在与在香港中文大学的研究人员合作,创造一种不同的光学装置,可使用低功率激光也能够使硅晶片不透明。研究人员正在共同努力看看这种方法是否实现使用一种大约花费 200 美元左右的激光而不是在Opticad报告中提到的将近 $400,000的激光,来获得亚波长太赫兹图像

    Stantchev 说:“这是让技术更符合生物学应用的一步。最终,我们设想一种可以工作在医生办公室的设备,它可以迅速的检测出皮肤癌的存在”。

 
 

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