Недавние достижения в электронике и оптике открыли новые возможности для терагерцовых (ТГц) волн — невидимого типа света, который находится между инфракрасным светом и микроволнами в спектре. Использование рассеяния ТГц-волн для медицинской диагностики является перспективным направлением в этой области, поскольку ТГц-волны могут исследовать структуры тканей так, как не могут традиционные методы визуализации.
Новые методы измерения ТГц-волн способны обнаруживать едва заметные изменения в архитектуре тканей, которые возникают при таких заболеваниях, как рак и ожоги. Это делает их мощным диагностическим инструментом.
Однако существующие методы ТГц-визуализации сталкиваются со значительными ограничениями в медицинских приложениях. Большинство существующих подходов основаны главным образом на различиях в содержании воды между здоровыми и поражёнными тканями как основном источнике диагностического контраста. Этот подход оказывается слишком упрощённым для сложных заболеваний.
Более того, хотя поляризационные измерения отражённых ТГц-волн кажутся ценными для диагностики тканей, механизмы, которые создают различные поляризационные отклики в тканях, остаются плохо изученными. Это подчёркивает необходимость в вычислительных моделях, способных объяснять и прогнозировать явления, которые исследователи наблюдали экспериментально.
Для решения этих задач 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.
В Journal of Biomedical Optics сообщается, что команда исследователей смоделировала, как поляризованный ТГц-свет взаимодействует с микроскопическими особенностями, которые различаются между здоровыми и поражёнными/повреждёнными тканями.
Исследователи сначала использовали моделирование методом 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 повреждениях.
Чтобы проверить свои модели, команда создала тканевые фантомы, используя полипропиленовые частицы различного размера, суспендированные 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. Примечательно, что команда показала, что характеристику соответствующих поляризационных свойств ткани можно получить, используя всего одно поляризационное измерение, в отличие от традиционных подходов, требующих как минимум четырёх.
Экспериментальные результаты, полученные на тканевых фантомах, подтвердили предсказания моделирования, показав чёткие частотно-зависимые закономерности, коррелирующие с размером частиц. Как и ожидалось, более крупные рассеивающие частицы создавали более высокую интенсивность диффузно рассеянного света. Они также создавали отчётливые провалы в поляризации на определённых частотах, которые можно было использовать для оценки размера рассеивающих частиц.
Наконец, исследователи продемонстрировали клинический потенциал своего подхода, получив поляриметрическое изображение индуцированного ожога на образцах кожи свиней, что позволило чётко увидеть контраст между обожжёнными и здоровыми участками ткани.
Возможность обнаружения и характеристики микроскопических структурных изменений в тканях открывает новые возможности для раннего выявления рака и улучшения результатов лечения пациентов. В частности, ТГц-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 фактические образцы раковых тканей и расширить возможности ТГц-измерений для регистрации даже более мелких особенностей тканей. Используя ТГц-системы с более широкой 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 того как терагерцовые технологии продолжают развиваться, результаты этого исследования представляют собой значительный шаг на пути к их включению в рутинную медицинскую диагностику, потенциально изменяя способы, с помощью которых врачи выявляют и отслеживают прогрессирование заболеваний.