THz-Bildgebung für beschleunigte Hautkrebserkennung - Photonik

Ausgabe SH: BIOPHOTONIK 02/2017

THz-Bildgebung für beschleunigte Hautkrebserkennung

Eine neue Nahfeld-Terahertz-Technik bietet erstmals Subwellenlängen-Auflösung bei hoher Aufnahmegeschwindigkeit.

Bild: Rayko Stantchev / University of Exeter
Ein Mikrospiegelaktuator projiziert Laserlicht (grün) in einem bestimmten Muster auf einen Siliziumwafer... mehr...

Wissenschaftler der britischen Universitäten Exeter und Glasgow haben eine Terahertz (THz)-Bildgebungstechnik mit Mikrometer-Auflösung entwickelt und dabei mit computergestützten Berechnungen zur Beschleunigung der Bildaufnahme kombiniert.

THz-Wellenlängen liegen zwischen dem Infrarot- und Mikrowellenbereich im elektromagnetischen Spektrum. Das Licht in dieser Spektralregion ist ideal für biologische Anwendungen geeignet, da es im Gegensatz zur Röntgenstrahlung keine Gewebeschädigung hervorruft. In früheren Untersuchungen konnte bereits gezeigt werden, dass Hautkrebszellen THz-Strahlung stärker absorbieren als gesunde Zellen und die THz-Bildgebung geeignet ist, zwischen gesundem und Krebsgewebe zu unterscheiden. Hautkrebs kann somit mit THz-Licht detektiert werden. Die geringe Auflösung derzeitiger Ansätze lässt den Krebs jedoch erst sichtbar werden, wenn er eine gewisse Größe erreicht hat.

Die Kombination hochauflösender Terahertz-Aufnahmen und schneller Bildgebung soll dazu führen, Hautkrebs bereits in der Arztpraxis zu diagnostizieren, ohne eine Gewebeprobe für eine Autopsie entnehmen zu müssen. Die Methode basiert auf einem Ansatz, der Subwellenlängenauflösungen mit THz-Strahlung ermöglicht. Die Beugungsgrenze wurde überwunden, indem die Nahfeldwechselwirkung zwischen THz-Wellen und dem abzubildenden Objekt gemessen wurde. Die Auflösung betrug ein 1/45-tel der THz-Wellenlänge.

Für die Umsetzung setzten die Wissenschaftler einen Mikrospiegelaktuator (Digital Mirror Device, DMD) ein. Mit diesem Array aus digital gesteuerten Mikrospiegeln wird ein DMD-erzeugtes Muster aus einer 800-nm Laserquelle auf einen Siliziumwafer projiziert. Die Strahlung lässt den Wafer an den beleuchteten Stellen für THz-Strahlung temporär transparent werden. Wird der Wafer nun von oben zusätzlich mit THz-Strahlung beleuchtet, verlässt den Wafer auf der Rückseite ein ebenso strukturierter THz-Strahl, der mit dem Aufnahmeobjekt wechselwirken kann. Da sich die Struktur des Lichtstrahls aus dem DMD-erzeugten Muster ableiten lässt, kann mittels Computer ein Bild aus der am Objekt gestreuten THz-Strahlung rekonstruiert werden.

Normalerweise erreicht die Nahfeld-THz-Bildgebung nur eine sehr langsame Aufnahmegeschwindigkeit. Die neue Aufnahmetechnik ist zu sensorischen Kompressions- und adaptiven Bildgebungsalgorithmen kompatibel. Die Algorithmen arbeiten ähnlich wie Bildkompressionsverfahren, die den Speicherverbrauch eines Bildes verringern, indem jegliche Daten entfernt werden, die nicht für eine visuelle Wahrnehmung des Bildes notwendig sind. Die Algorithmen für die THz-Bildgebung gehen noch einen Schritt weiter, indem sie nicht benötigte Daten bei der Aufnahme von vornerein ignorieren. Die Wissenschaftler demonstrierten, dass ihr Nahfeld-Ansatz für die THz-Bildgebung eine Ortsauflösung von 9 Mikrometern und eine dreifach schnellere Bildaufnahmegeschwindigkeit erreichen als derzeitige konventionelle Techniken.

Im jetzigen Aufbau wird ein leistungsstarker Laser eingesetzt, um eine Transparenz im Siliziumwafer zu erzeugen. Für eine praktische Anwendung muss dieser durch einen kostengünstigen, kompakten Laser ersetzt werden. Dazu kooperieren die Forscher aus Exeter und Glasgow mit Wissenschaftlern der Chinese University of Hong Kong, deren Ansatz sich möglicherweise mit einem deutlich leistungsschwächeren Laser umsetzen lässt.

Originalveröffentlichung:

[R. I. Stantchev, D. B. Phillips, P. Hobson, S. M. Hornett, M. J. Padgett, E. Hendry, Compressed sensing with near-field THz radiation, Optica Volume 4 Issue 8 (2017), DOI: 10.1364/OPTICA.4.000989]

emps.exeter.ac.uk

www.gla.ac.uk

 
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