Недавние достижения в области электроники и оптики открыли новые возможности для использования терагерцовых (ТГц) волн — невидимого типа света, который находится между инфракрасным светом и микроволнами в спектре. Применение рассеяния ТГц-волн для медицинской диагностики является перспективным направлением, поскольку ТГц-волны могут исследовать структуры тканей так, как это не могут сделать традиционные методы визуализации.
Новые методы измерения ТГц-волн способны обнаружить едва заметные изменения в архитектуре тканей, которые происходят при таких заболеваниях, как рак и ожоговые травмы. Это делает их мощным диагностическим инструментом.
Однако существующие методы ТГц-визуализации сталкиваются со значительными ограничениями в медицинских приложениях. Большинство подходов основаны на различиях в содержании воды между здоровыми и поражёнными тканями. Этот подход оказывается слишком упрощённым для сложных заболеваний.
Для решения этих проблем исследовательская группа под руководством профессора Хасана Арбаба из Университета Стоуни-Брук (Нью-Йорк, США) провела комплексное исследование, сочетающее математическое моделирование, передовые компьютерные симуляции и экспериментальную проверку.
Моделирование взаимодействия ТГц-волн с тканевыми структурами
Исследователи использовали метод Монте-Карло — мощный вычислительный метод — для моделирования того, как ТГц-волны рассеиваются от сферических частиц, встроенных в сильно поглощающие биологические среды. Эти частицы различного диаметра могут представлять структуры, связанные с заболеваниями, такие как опухолевые кластеры или разрушение волосяных фолликулов и потовых желёз, наблюдаемое при ожоговых травмах.
Для проверки своих моделей команда создала тканевые фантомы, используя полипропиленовые частицы различного размера, взвешенные в желатине, имитируя оптические свойства реальных тканей.
Моделирование выявило два ключевых параметра — интенсивность диффузно рассеянного света и степень его поляризации, — которые предсказуемо изменяются в зависимости от размера и концентрации частиц.
Экспериментальные результаты на тканевых фантомах подтвердили предсказания моделирования, показав чёткие частотно-зависимые закономерности, коррелирующие с размером частиц.
Исследователи продемонстрировали клинический потенциал своего подхода, получив поляриметрическое изображение индуцированного ожога на образцах кожи свиней, выявив чёткий контраст между обожжёнными и здоровыми участками ткани.
Способность обнаруживать и характеризовать микроскопические структурные изменения в тканях открывает новые возможности для раннего выявления рака и улучшения результатов лечения пациентов. Терагерцовая поляриметрическая визуализация может быть полезна для выявления прорастания опухоли, когда небольшие скопления раковых клеток отделяются от основной опухоли.
В будущем исследовательская группа планирует расширить свои исследования на реальные образцы тканей рака и расширить возможности ТГц-измерений для регистрации ещё более мелких особенностей тканей. Используя ТГц-системы с большей полосой пропускания, разрабатываемые в настоящее время, поляриметрические методы могут потенциально разрешать структуры размером всего 10–30 микрометров, открывая возможности для обнаружения более широкого спектра изменений тканей, связанных с заболеваниями.
По мере развития терагерцовых технологий результаты этого исследования представляют собой значительный шаг на пути к их включению в рутинную медицинскую диагностику, потенциально меняя подходы врачей к выявлению и мониторингу прогрессирования заболеваний.