Os pesquisadores desenvolveram uma nova abordagem de imagem terahertz que, pela primeira vez, pode adquirir imagens de resolução em escala de mícron enquanto mantém abordagens computacionais projetadas para acelerar a aquisição de imagens. Esta combinação pode permitir que a imagem terahertz seja útil para detectar o câncer de pele em estágio inicial sem a necessidade de uma biópsia de tecido do paciente.

Os comprimentos de onda Terahertz situam-se entre as microondas e a luz infravermelha no espectro eletromagnético. A luz nesta região é ideal para aplicações biológicas porque, ao contrário de raios-x, não carrega energia suficiente para danificar o tecido. Outra pesquisa mostrou que as células cancerosas da pele absorvem a luz terahertz mais fortemente do que as células saudáveis, demonstrar que a imagem terahertz pode ser útil para distinguir entre o tecido canceroso e saudável.

"O câncer de pele já pode ser detectado usando luz terahertz, mas devido à baixa resolução das abordagens de imagem atuais, o câncer só pode ser visto depois de ter crescido bastante, "disse o líder da equipe de pesquisa, Rayko Stantchev da Universidade de Exeter, REINO UNIDO. "Idealmente, queremos detectar o câncer cedo, quando ainda é pequeno. Esperamos que as imagens terahertz de alta resolução, combinado com a capacidade de tirar uma imagem rapidamente, pode eventualmente levar a um dispositivo que pode detectar o câncer no consultório médico. "

No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores mostraram que sua abordagem de campo próximo à imagem terahertz pode atingir uma resolução espacial de cerca de nove mícrons e era compatível com sensoriamento comprimido e algoritmos de imagem adaptativos que permitem aquisição de imagem três vezes mais rápida do que as tecnologias convencionais.

Além de seus benefícios práticos para imagens médicas, a pesquisa também representa uma nova maneira de realizar imagens em terahertz de alta resolução. Na imagem convencional, a resolução espacial é limitada pelo limite de difração, que é determinado pelo comprimento de onda da luz usada. Embora a maioria das técnicas de imagem detecte a luz espalhada a alguma distância do objeto que está sendo visualizado, os pesquisadores superaram o limite de difração usando uma configuração única para medir perto, ou campo próximo, interações de ondas terahertz com o objeto que está sendo visualizado. A abordagem deles produziu uma resolução de cerca de 1/45 do comprimento de onda usado para imagens.

"Esta é a primeira demonstração experimental, para qualquer região espectral, mostrando que a detecção comprimida e a imagem adaptativa podem ser realizadas em resoluções muito menores do que o comprimento de onda da luz usada para a imagem, "disse Stantchev." Mostrar que isso é fisicamente possível permitirá que engenheiros e cientistas comecem a pensar sobre todo o potencial desta abordagem. "

Imagem terahertz de comprimento de onda

A principal inovação que tornou possível a nova abordagem foi um dispositivo de microespelho digital (DMD), uma série de pequenos espelhos que podem ser controlados por computador. Os pesquisadores usam o DMD para projetar um padrão de luz de 800 nm em um wafer de silício, o que torna o wafer opaco à luz terahertz em áreas onde a luz de 800 nm atinge o silício. Isso significa que quando um feixe de terahertz passa pelo wafer, ele cria um feixe de terahertz padronizado do outro lado do wafer que pode interagir com um objeto que está sendo visualizado. Como o padrão criado pelo DMD é conhecido, um computador pode reconstruir uma imagem do objeto com base na luz terahertz detectada.

Como as abordagens de imagem terahertz de campo próximo são normalmente afetadas por velocidades de aquisição lentas, os pesquisadores projetaram sua abordagem para ser compatível com sensores compactados e algoritmos de amostragem adaptativa que aumentam a taxa de geração de imagens. Esses algoritmos funcionam de forma semelhante à compressão de imagens, o que reduz o tamanho de uma imagem eliminando quaisquer dados desnecessários para perceber uma imagem visualmente. Os algoritmos de sensoriamento compactado e de imagem adaptável levam isso um passo adiante, ignorando os dados desnecessários para começar, acelerando a imagem medindo apenas os componentes vitais da imagem.

"Usamos esses algoritmos para determinar quais regiões do wafer são transparentes e quais regiões não são transparentes, essencialmente criando pixels, "disse Stantchev." Porque estávamos usando um detector terahertz de pixel único, normalmente cada pixel adquiriria uma medida. Contudo, criando muitos pixels transparentes em uma medição, uma imagem pode ser adquirida mais rapidamente tomando menos medidas do que o número de pixels. "

Os pesquisadores usaram sua configuração para criar imagens de uma variedade de objetos e mostraram que o método podia distinguir os braços de uma estrela metálica com espaçamento de cerca de nove mícrons.

Caminhando em direção à praticidade

"Para nossa configuração atual, temos que usar um laser muito intenso para tornar as bolachas de silício opacas, "disse Stantchev." Este laser é muito grande e caro, então, para tornar essa abordagem prática, precisávamos descobrir como fazê-la usando um laser muito mais barato e menor. "

Stantchev está agora trabalhando com pesquisadores da Universidade Chinesa de Hong Kong que criaram uma configuração óptica diferente que pode tornar as pastilhas de silício opacas usando um laser menos potente. Os pesquisadores agora estão trabalhando juntos para ver se essa abordagem pode possibilitar a aquisição de imagens terahertz de sub-onda usando um laser que custa cerca de US $ 200 em vez de quase US $ 400, 000 laser usado para o trabalho relatado no Optica papel.

“Este é um passo para tornar a técnica mais compatível com aplicações biológicas, "disse Stantchev." Eventualmente, prevemos um dispositivo que poderia ser usado no consultório médico que revelaria rapidamente se o câncer de pele está presente. "