Gli scienziati sono un passo avanti verso lo sviluppo di una fotocamera veloce ed economica che utilizza radiazioni terahertz, potenzialmente aprendo loro l'opportunità di essere utilizzati nella sicurezza non invasiva e nello screening medico.

Un team di ricerca guidato dalla professoressa Emma Pickwell-MacPherson del Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick e che coinvolge scienziati dell'Università cinese di Hong Kong ha raggiunto un traguardo cruciale nello sviluppo di una tecnologia di imaging terahertz a pixel singolo da utilizzare in applicazioni biomediche e industriali.

La loro fotocamera terahertz a pixel singolo ha raggiunto un'acquisizione 100 volte più veloce rispetto al precedente stato dell'arte senza aggiungere costi significativi all'intero sistema o sacrificare la risoluzione temporale inferiore al picosecondo necessaria per le applicazioni più ricercate.

La svolta è stata pubblicata sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Le potenzialità e i problemi della radiazione Terahertz

Radiazione terahertz (THz), o raggi T, sedersi tra infrarossi e WiFi sullo spettro elettromagnetico. I raggi T hanno proprietà diverse dalle altre onde elettromagnetiche, in particolare possono vedere attraverso molti materiali comuni come la plastica, ceramiche e vestiti, rendendoli potenzialmente utili nelle ispezioni non invasive. Un'altra qualità è che i fotoni a bassa energia dei raggi T non sono ionizzanti, rendendoli molto sicuri in ambienti biologici, compresa la sicurezza e lo screening medico. Sono anche molto sensibili all'acqua e possono osservare piccoli cambiamenti nello stato di idratazione della materia biologica. Ciò significa che le malattie che perturbano il contenuto idrico della materia biologica, come il cancro della pelle, può essere potenzialmente rilevato utilizzando i raggi T in vivo senza alcun marcatore istologico.

Il rilevamento e la generazione efficienti di raggi T sono stati possibili negli ambienti di laboratorio negli ultimi 25 anni. Però, La tecnologia THz non è ancora ampiamente utilizzata in ambito commerciale in quanto il costo, la robustezza e/o la facilità d'uso sono ancora in ritardo rispetto all'adozione commerciale in ambienti industriali.

Per applicazioni biomediche, sono stati eseguiti pochissimi studi clinici, in particolare a causa del fatto che l'apparecchiatura non è di facile utilizzo e l'imaging è troppo lento a causa della necessità di misurare frequenze multiple di terahertz (per una diagnosi accurata). Finalmente, le attrezzature e i costi di esercizio devono rientrare nei budget dell'ospedale. Di conseguenza, molte ricerche sulla tecnologia terahertz sono attualmente concentrate sullo sviluppo di apparecchiature per migliorare la velocità di imaging, senza ridurre l'accuratezza della diagnosi o sostenere costi elevati. Di conseguenza, dobbiamo esplorare tecniche di imaging alternative a quelle attualmente utilizzate nei moderni smartphone.

I vantaggi delle fotocamere a pixel singolo

Professoressa Emma Pickwell-MacPherson, dal Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick, ha dichiarato:"Usiamo quella che viene chiamata 'una fotocamera a pixel singolo' per ottenere le nostre immagini. In breve, moduliamo spazialmente il raggio THz e diffondiamo questa luce su un oggetto. Quindi, utilizzando un rilevatore a elemento singolo, registriamo la luce che viene trasmessa (o riflessa) attraverso l'oggetto che vogliamo riprendere. Continuiamo a farlo per molti modelli spaziali diversi finché non possiamo ricostruire matematicamente un'immagine del nostro oggetto".

I ricercatori devono continuare a cambiare la forma del fascio THz molte volte, il che significa che questo metodo è solitamente più lento rispetto agli array di rivelatori multi-pixel. Però, gli array multi-pixel per il regime terahertz di solito mancano di una risoluzione temporale inferiore ai picosecondi, richiedono temperature criogeniche per funzionare o comportano costi elevati per le apparecchiature (> 350 dollari, 000). Il setup sviluppato dal team di Warwick, che si basa su un rivelatore a elemento singolo, ha un prezzo ragionevole (~US $ 20, 000), robusto, ha una risoluzione temporale inferiore al picosecondo (necessaria per una diagnosi accurata) e funziona a temperatura ambiente.

Il professor Pickwell-MacPherson aggiunge:"Il nostro ultimo lavoro migliora la velocità di acquisizione delle telecamere terahertz a pixel singolo di un fattore 100 rispetto al precedente stato dell'arte, acquisizione di un video 32x32 a 6 fotogrammi al secondo. Lo facciamo determinando innanzitutto la geometria di modulazione ottimale, in secondo luogo modellando la risposta temporale del nostro sistema di imaging per il miglioramento del rapporto segnale-rumore, e in terzo luogo riducendo il numero totale di misurazioni con tecniche di rilevamento compresse. Infatti, parte del nostro lavoro mostra che possiamo raggiungere una velocità di acquisizione cinque volte più veloce se abbiamo un rapporto segnale-rumore sufficiente".

I ricercatori hanno precedentemente sviluppato diversi dispositivi THz, inclusi modulatori THz che utilizzano la geometria di riflessione interna totale per ottenere MD elevati su una gamma di frequenze a banda larga e un nuovo approccio per la modulazione di ampiezza e fase che sfrutta l'angolo di Brewster. Stanno anche lavorando per migliorare la risoluzione dell'imaging THz a pixel singolo attraverso approcci di elaborazione del segnale. Il lavoro futuro si concentrerà sul miglioramento del rapporto segnale-rumore e sull'ottimizzazione del software necessario per una diagnosi medica accurata, con l'obiettivo finale di utilizzare l'imaging THz a pixel singolo per la diagnosi del cancro in vivo.