科學家們利用太赫茲輻射在不損傷耳蝸的情況下觀察耳蝸內部（耳蝸是一個極其微小的螺旋形器官，對聽力至關重要），在耳部成像方面取得了重大飛躍。這一突破有朝一日可能讓醫生能夠使用非侵入性工具檢測聽力問題和內耳疾病，而這是目前的成像技術無法做到的。

研究人員開發了一種新型太赫茲成像方法，能夠以微米級空間解析度可視化小鼠耳蝸的內部細節。圖片為切除的小鼠耳蝸。圖片來源：早稻田大學 Kazunori Serita

該團隊發明瞭一種可以穿透骨骼和組織的微型太赫茲光源，可以以前所未有的細節提供耳蝸結構的三維視圖。他們已經在小鼠樣本上進行了測試，隨著進一步開發，它可以通過耳道用於早期發現聽力損失，甚至檢測出癌症。

科學家首次證明太赫茲成像能夠以微米級精度揭示小鼠耳蝸的內部結構。這種非侵入性方法可能帶來診斷聽力損失和其他影響內耳的疾病的新方法。

“聽覺依賴於耳蝸，耳蝸是內耳中的螺旋形器官，可將聲波轉換為神經信號，”研究小組負責人、日本早稻田大學的 Kazunori Serita 說道。“儘管傳統的成像方法通常難以顯現該器官的精細細節，但我們的 3D 太赫茲近場成像技術讓我們能夠看到耳蝸內部的微小結構，而不會造成任何損傷。”

使用 3D 太赫茲近場成像獲取的圖像用於創建 3D 重建，從而可以可視化耳蝸管的一部分，即耳蝸內的螺旋結構。圖片來源：早稻田大學 Kazunori Serita

太赫茲輻射在電磁波譜上介於微波和中紅外光之間。它特別適合生物成像，因為它能量低、對組織無損傷、散射比可見光或近紅外光少，而且可以穿透骨骼。它對水合和細胞結構的細微變化也很敏感。

在今天（3 月 27 日）發表在 Optica 出版集團期刊Optica上的一項研究中，來自多個機構的研究人員團隊描述了他們的成像技術如何捕獲高解析度數據，這些數據可用於創建內耳的詳細 3D 重建。

“隨著進一步發展，這項技術可能成為一種新的耳部疾病診斷方法，而這些疾病至今仍難以診斷，”Serita 說道。“它有可能實現對神經性聽力損失和其他耳部疾病等情況的現場診斷。它還可能有助於早期發現聽力障礙，從而實現早期治療和更好的治療效果。”

使用 3D 太赫茲近場成像獲取的圖像用於創建 3D 重建，從而可以可視化耳蝸管的一部分，即耳蝸內的螺旋結構。圖片來源：早稻田大學 Kazunori Serita

在從神戶大學耳鼻咽喉頭頸外科的共同作者 Takeshi Fujita 那裡瞭解到耳蝸測量的挑戰后，Serita 萌生了開發這項技術的念頭。“這讓我想到，也許太赫茲成像可以幫助解決這些問題，”Serita 說。“我們決定合作，共同探索這個想法。最大的問題是，我們能否在不造成任何損害的情況下，將耳蝸的微小內部結構可視化。”

太赫茲成像通常是通過使用專門為這些波長製作的透鏡聚焦太赫茲波來實現的。然而，這些透鏡的焦距通常只有幾毫米——這太大了，無法對耳蝸的微小結構進行成像。在這項新研究中，研究人員利用非線性光學晶體在晶體內非常小的區域產生太赫茲光，從而消除了對聚焦透鏡的需求。由於這個太赫茲點源的光束直徑只有 20 微米，研究人員可以用太赫茲波測量更小的樣本。

“到目前為止，還沒有辦法以高解析度無損觀察耳蝸的內部結構，”Serita 說。“我們工作中的一個關鍵創新是使用非線性光學晶體從 1560 nm 近紅外光產生太赫茲波。這對我們的成像技術至關重要。”

這種非侵入性方法最終可能成為診斷聽力損失和其他耳部相關疾病的新方法。視頻展示了 3D 太赫茲成像掃描。圖片來源：早稻田大學 Kazunori Serita

為了測試他們的新方法，研究人員首先需要確認太赫茲波是否到達耳蝸內部。他們使用太赫茲成像裝置對兩個不同的提取和乾燥的小鼠耳蝸樣本進行實驗，一個樣本內部是空的，另一個樣本中填充了反射太赫茲波的金屬材料。他們觀察到兩個樣本之間存在明顯差異，證實太赫茲波確實穿透了耳蝸內部。

研究人員隨後證明，使用無監督學習演算法可以輕鬆從二維太赫茲時域圖像中觀察和提取內部結構資訊。該團隊還利用該裝置成功進行了三維太赫茲飛行時間成像和三維重建，從而實現了耳蝸管（耳蝸內部的螺旋結構）部分可視化。

接下來，研究人員計劃在更現實的生物環境中展示該技術在耳蝸上的可行性。由於耳蝸位於耳朵深處，充滿淋巴液，他們首先需要將系統小型化，以便將其插入耳道。他們還在開發更強大的太赫茲源，以到達更深的結構。

研究人員表示，一旦太赫茲成像技術實現小型化，它就可以被整合到內窺鏡和耳鏡中，實現無創體內成像，用於耳蝸診斷和各種器官的早期癌症檢測。

編譯自/ScitechDaily