I ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio di imaging terahertz che, per la prima volta, può acquisire immagini con risoluzione su scala micron mantenendo gli approcci computazionali progettati per accelerare l'acquisizione delle immagini. Questa combinazione potrebbe consentire all'imaging terahertz di essere utile per rilevare il cancro della pelle in fase iniziale senza richiedere una biopsia tissutale da parte del paziente.

Le lunghezze d'onda terahertz cadono tra le microonde e la luce infrarossa sullo spettro elettromagnetico. La luce in questa regione è ideale per le applicazioni biologiche perché, a differenza dei raggi X, non trasporta abbastanza energia per danneggiare i tessuti. Altre ricerche hanno dimostrato che le cellule cancerose della pelle assorbono la luce terahertz più fortemente delle cellule sane, dimostrando che l'imaging terahertz può essere utile per distinguere tra tessuto canceroso e sano.

"Il cancro della pelle può già essere rilevato utilizzando la luce terahertz, ma a causa della bassa risoluzione degli attuali approcci di imaging, il cancro può essere visto solo dopo che è diventato abbastanza grande, " ha detto il capo del gruppo di ricerca, Rayko Stantchev dell'Università di Exeter, UK. "Idealmente, vogliamo rilevare il cancro in anticipo, quando è ancora piccolo. Ci auguriamo che le immagini terahertz ad alta risoluzione, combinato con la capacità di scattare rapidamente un'immagine, alla fine potrebbe portare a un dispositivo in grado di rilevare il cancro nell'ambulatorio del medico".

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori hanno dimostrato che il loro approccio in campo vicino all'imaging terahertz può raggiungere una risoluzione spaziale di circa nove micron ed era compatibile con il rilevamento compresso e gli algoritmi di imaging adattivo che consentono un'acquisizione delle immagini tre volte più veloce rispetto alle tecnologie convenzionali.

Oltre ai vantaggi pratici per l'imaging medico, la ricerca rappresenta anche un nuovo modo di realizzare immagini terahertz ad alta risoluzione. Nell'imaging convenzionale, la risoluzione spaziale è limitata dal limite di diffrazione, che è determinato dalla lunghezza d'onda della luce utilizzata. Sebbene la maggior parte delle tecniche di imaging rilevi la luce diffusa a una certa distanza dall'oggetto ripreso, i ricercatori hanno superato il limite di diffrazione utilizzando una configurazione unica per misurare la vicinanza, o vicino al campo, interazioni delle onde terahertz con l'oggetto ripreso. Il loro approccio ha prodotto una risoluzione di circa 1/45 della lunghezza d'onda utilizzata per l'imaging.

"Questa è la prima dimostrazione sperimentale, per ogni regione spettrale, dimostrando che il rilevamento compresso e l'imaging adattivo possono essere eseguiti a risoluzioni molto inferiori alla lunghezza d'onda della luce utilizzata per l'imaging, " ha detto Stantchev. "Dimostrare che questo è fisicamente possibile consentirà a ingegneri e scienziati di iniziare a pensare al pieno potenziale di questo approccio".

Imaging terahertz a lunghezza d'onda inferiore

L'innovazione principale che ha reso possibile il nuovo approccio è stato un dispositivo digitale a microspecchi (DMD), una serie di minuscoli specchi che possono essere controllati ciascuno da un computer. I ricercatori usano il DMD per proiettare un modello di luce a 800 nm su un wafer di silicio, che rende il wafer opaco alla luce terahertz nelle aree in cui la luce a 800 nm colpisce il silicio. Ciò significa che quando un raggio di terahertz passa attraverso il wafer, crea un fascio di terahertz modellato sull'altro lato del wafer che può quindi interagire con un oggetto sottoposto a imaging. Poiché il modello creato dalla DMD è noto, un computer può ricostruire un'immagine dell'oggetto in base alla luce terahertz rilevata.

Poiché gli approcci di imaging terahertz a campo vicino sono tipicamente afflitti da basse velocità di acquisizione, i ricercatori hanno progettato il loro approccio per essere compatibile con il rilevamento compresso e gli algoritmi di campionamento adattivo che aumentano il tasso di imaging. Questi algoritmi funzionano in modo simile alla compressione delle immagini, che riduce le dimensioni di un'immagine eliminando tutti i dati non necessari per percepire visivamente un'immagine. Gli algoritmi di rilevamento compresso e di imaging adattivo fanno un ulteriore passo avanti ignorando i dati non necessari per cominciare, accelerare l'imaging misurando solo i componenti vitali dell'immagine.

"Abbiamo usato questi algoritmi per determinare quali regioni del wafer sono trasparenti e quali non sono trasparenti, essenzialmente creando pixel, " ha detto Stantchev. "Poiché stavamo usando un rilevatore di terahertz a pixel singolo, normalmente ogni pixel acquisirebbe una misura. Però, creando molti pixel trasparenti in un'unica misurazione, un'immagine può essere acquisita più rapidamente effettuando meno misurazioni rispetto al numero di pixel."

I ricercatori hanno utilizzato la loro configurazione per visualizzare una varietà di oggetti e hanno dimostrato che il metodo poteva distinguere i bracci di una ruota di carro metallica distanziati di circa nove micron l'uno dall'altro.

Verso la praticità

"Per la nostra configurazione attuale, dobbiamo usare un laser molto intenso per rendere opachi i wafer di silicio, " disse Stantchev. "Questo laser è molto grande e costoso, quindi, per rendere pratico questo approccio, dovevamo capire come farlo utilizzando un laser molto più economico e più piccolo."

Stantchev sta ora lavorando con i ricercatori dell'Università cinese di Hong Kong che hanno creato una diversa configurazione ottica che potrebbe essere in grado di rendere opachi i wafer di silicio utilizzando un laser meno potente. I ricercatori stanno ora lavorando insieme per vedere se questo approccio potrebbe consentire di acquisire immagini terahertz a lunghezza d'onda inferiore utilizzando un laser che costa circa $ 200 invece dei quasi $ 400, 000 laser utilizzati per i lavori riportati nel ottica carta.

"Questo è un passo per rendere la tecnica più compatibile con le applicazioni biologiche, " disse Stantchev. "Alla fine, immaginiamo un dispositivo che potrebbe essere utilizzato nello studio del medico che rivelerebbe rapidamente se è presente il cancro della pelle".