Os cientistas estão um passo mais perto de desenvolver uma câmera rápida e econômica que utiliza radiação terahertz, potencialmente abrindo a oportunidade para eles serem usados ​​em segurança não invasiva e triagem médica.

Uma equipe de pesquisa liderada pela Professora Emma Pickwell-MacPherson do Departamento de Física da Universidade de Warwick e envolvendo cientistas da Universidade Chinesa de Hong Kong atingiu um marco crucial no desenvolvimento de tecnologia de imagem terahertz de pixel único para uso em aplicações biomédicas e industriais.

Sua câmera terahertz de pixel único alcançou aquisição 100 vezes mais rápida do que o estado da arte anterior, sem adicionar nenhum custo significativo a todo o sistema ou sacrificar a resolução temporal sub-picossegundo necessária para as aplicações mais procuradas.

O avanço foi publicado na revista Nature Communications .

Os potenciais e problemas da radiação Terahertz

Radiação Terahertz (THz), ou raios T, sentar-se entre infravermelho e WiFi no espectro eletromagnético. Os raios T têm propriedades diferentes de outras ondas eletromagnéticas, mais notavelmente, eles podem ver através de muitos materiais comuns, como plásticos, cerâmicas e roupas, tornando-os potencialmente úteis em inspeções não invasivas. Outra qualidade é que os fótons de baixa energia dos raios T não são ionizantes, tornando-os muito seguros em ambientes biológicos, incluindo segurança e exames médicos. Eles também são altamente sensíveis à água e podem observar mudanças mínimas no estado de hidratação da matéria biológica. Isso significa que as doenças que perturbam o conteúdo de água da matéria biológica, como câncer de pele, pode ser potencialmente detectado usando raios T in vivo sem quaisquer marcadores histológicos.

A detecção e geração eficientes de raios T têm sido possíveis em ambientes de laboratório nos últimos 25 anos. Contudo, A tecnologia THz ainda não é amplamente utilizada em ambientes comerciais como o custo, robustez e / ou facilidade de uso ainda está atrasada para adoção comercial em ambientes industriais.

Para aplicações biomédicas, muito poucos ensaios clínicos foram realizados, principalmente devido ao equipamento não ser amigável e a imagem ser muito lenta devido à necessidade de medir várias frequências terahertz (para um diagnóstico preciso). Finalmente, os custos de equipamento e funcionamento devem estar dentro dos orçamentos do hospital. Como resultado, muitas pesquisas em tecnologia terahertz estão atualmente focadas no desenvolvimento de equipamentos para melhorar a velocidade de imagem, sem reduzir a precisão do diagnóstico ou incorrer em grandes custos. Como resultado, temos que explorar técnicas de imagem alternativas às usadas atualmente nos smartphones modernos.

As vantagens das câmeras de pixel único

Professora Emma Pickwell-MacPherson, do Departamento de Física da Universidade de Warwick, disse:"Usamos o que é chamado de 'uma câmera de pixel único' para obter nossas imagens. Em suma, modulamos espacialmente o feixe THz e direcionamos essa luz para um objeto. Então, usando um detector de elemento único, registramos a luz que é transmitida (ou refletida) através do objeto que desejamos visualizar. Continuamos fazendo isso para muitos padrões espaciais diferentes até que possamos reconstruir matematicamente uma imagem de nosso objeto. "

Os pesquisadores têm que mudar a forma do feixe THz muitas vezes, o que significa que esse método é geralmente mais lento em comparação com conjuntos de detectores multi-pixel. Contudo, matrizes multi-pixel para o regime de terahertz geralmente carecem de resolução temporal sub-picossegundo, requerem temperaturas criogênicas para operar ou incorrem em grandes custos de equipamento (> US $ 350, 000). A configuração desenvolvida pela equipe Warwick, que é baseado em um detector de elemento único, tem um preço razoável (~ US $ 20, 000), robusto, tem resolução temporal subpicosegundo (necessária para um diagnóstico preciso) e opera em temperatura ambiente.

O professor Pickwell-MacPherson acrescenta:"Nosso trabalho mais recente melhora a taxa de aquisição de câmeras terahertz de pixel único por um fator de 100 em relação ao estado da arte anterior, adquirir um vídeo de 32x32 a 6 quadros por segundo. Fazemos isso determinando, em primeiro lugar, a geometria de modulação ideal, em segundo lugar, modelando a resposta temporal do nosso sistema de imagem para melhorar a relação sinal-ruído, e em terceiro lugar, reduzindo o número total de medições com técnicas de detecção comprimida. Na verdade, parte do nosso trabalho mostra que podemos alcançar uma taxa de aquisição cinco vezes mais rápida se tivermos uma relação sinal-ruído suficiente. "

Os pesquisadores já desenvolveram vários dispositivos THz, incluindo moduladores THz que fazem uso da geometria de reflexão interna total para atingir MDs altos em uma faixa de frequência de banda larga e uma nova abordagem para a modulação de amplitude e fase explorando o ângulo de Brewster. Eles também estão trabalhando para melhorar a resolução da imagem THz de pixel único por meio de abordagens de processamento de sinal. O trabalho futuro se concentrará em melhorar a relação sinal-ruído e otimizar o software necessário para um diagnóstico médico preciso, com o objetivo final de usar imagens THz de pixel único para o diagnóstico de câncer in vivo.