t射线成像进入皮肤下面

我们怎么知道我们皮肤下发生了什么?它只有几毫米厚，由几层组成，上面布满了腺体、血管、特殊细胞和神经末梢。最外层——角质层——由大约20层细胞组成，是保护你身体的砖墙。你可以看到皮肤是干燥、有皱纹还是丰满、含水，医生大多依靠训练有素的眼睛，有时还会进行活组织检查来诊断皮肤病。

来自英国和香港的科学家发明了一种新方法来“观察”我们皮肤的构成，可以更准确地揭示皮肤的结构和健康状况。最终，他们相信，这将为医生带来一种新的非侵入性方法来监测皮肤状况和肿瘤，因为肿瘤的全部范围通常都隐藏在皮肤下。

这需要使用太赫兹(THz)辐射或t射线，这是电磁频谱中很少被利用的一部分。它们的频率为0.3-3.0THz，波长为100微米到1毫米，介于微波和红外光之间，但不像它们的邻居那样为人所知。

约瑟夫·哈德威克博士是一位专注于皮肤癌的整形外科医生，他与华威大学和香港中文大学的物理学家合作，他说:“在上个世纪，我们一直在通过观察来诊断皮肤病——经过多年的训练、高强度放大镜和强光。”“太赫兹辐射有可能为我们提供皮肤的客观测量。这可能会让我们走向更个性化的治疗。”

直到上世纪末，这部分电磁频谱的研究和利用都很少，这导致物理学家们将其称为“太赫兹鸿沟”。虽然红外和x射线已经帮助我们在黑暗中看到或深入人体，但t射线可以穿透木材和塑料等非导电材料的外层以及人体皮肤，为我们开辟了新的可能性。

研究人员发明了一种方法，可以从不同角度发射t射线，创造出比现有方法更丰富的皮肤图像——这是工程和物理学的壮举。华威大学物理系的艾玛·麦克弗森教授说:“这非常复杂。”“目前在机械上很笨拙，但背后有优雅的物理原理。”多年来，t射线的研究一直因产生辐射的困难而受到阻碍，尽管最近的系统已经变得更便宜、更整洁。

麦克弗森说，这是第一次将太赫兹辐射与这种方法和这种详细程度用于测量活人皮肤的特性。t射线对水和物体的化学成分很敏感，对皮肤中的水分水平也有不同的反应。重要的是，它们是低能量和非电离的，不像更强的x射线，更能伤害活组织，也能更深入地穿透材料。唐·阿诺博士说:“也有证据表明，太赫兹可以在临床上区分健康和患病软组织之间的重要差异，而x射线在获得良好的图像对比度方面很难做到这一点。”唐·阿诺博士是一名物理学家，在创建太赫兹分析仪器公司TeraView之前，他是太赫兹成像和光谱学的先驱。

通过使用两个棱镜，该团队完善了一项技术，使他们能够将太赫兹脉冲以不同角度聚焦在同一皮肤区域上。根据水分水平和皮肤的其他特性，光线反射回来的情况会略有不同，这样科学家就可以比较光线进入皮肤前后的特性。为了获得比光谱学中使用的标准反射方法更多的信息，研究小组在四个不同的位置部署了椭圆偏振聚焦的t射线，它们彼此成直角。“椭偏仪用于研究薄膜，而光谱学则用于研究体积较大的物质，”Arnone说。

他们能够使用这些方法精确地计算出皮肤在两个方向上相互成直角的折射率。麦克弗森说，这两个折射率之间的差异被称为双折射，通过计算，这一信息揭示了皮肤的含水量和厚度。“在普通的t射线反射成像中，皮肤的厚度和折射率是一个参数。通过测量不同的角度，你可以将两者分开。”

在实验过程中，麦克弗森和她的同事们不得不克服一些实际问题——如果皮肤被物体表面挡住，皮肤就会积聚水分——因为在她的实验中，前臂是贴着玻璃的。“这会改变皮肤的折射率，所以我们必须考虑到这一点。”

研究的成功部分取决于志愿者在实验所需的半小时左右的时间内完全保持手臂静止的能力，研究小组用玻璃平台和可移动的棱镜来解决这个问题。“我们需要完美的测量，”麦克弗森说。“我们已经证明，人类皮肤在太赫兹区域确实有双折射——并非所有材料都有——这很重要。”

医学成像只是这部分电磁波谱的一种应用。太赫兹光在天体物理学中被用于识别恒星之间的气体云。有争议的是，它被应用在安全系统中，用于“查看”衣服下的金属物体，并被制药部门用于测量药片中的药物晶体状态。Arnone说，它也被用于汽车行业的质量保证，以评估油漆涂层，以及喷气发动机涡轮，并分析半导体芯片故障和质量。

在艺术界，太赫兹光有助于揭示精致艺术品和珍贵画作的笔触和隐藏细节。最近研究人员用它来测定猪肉的新鲜度。

麦克弗森和她的同事们的下一步是明确的——还有一些基础工作要做。她申请了一笔资金来开发一个医疗级机器人，可以非常精确地绘制皮肤地图。

哈德威克说，临床试验可能在不久的将来开始。“技术就在那里;现在这是一个设计问题——当然还有监管问题。它在实验室里工作得很好，但在英国国民医疗服务体系内会起作用吗?”

这项技术通过揭示皮肤下肿瘤的范围，有助于检测皮肤癌的进展。这最终可以加快手术速度，让外科医生提前为皮肤移植等手术做准备。“这真的会节省时间，”麦克弗森说。

哈德威克说，至少还需要五年的时间，这种技术才能应用到医疗领域。

它还可以让医生发现并开发出针对湿疹和牛皮癣等皮肤疾病的最佳治疗方法，目前这更多的是一种试错的方法。它还可以缩短新疗法的开发时间。麦克弗森说:“这项技术真的很擅长观察皮肤的水合水平。”“这真的有助于有效地治疗患者，并监测他们。”