Los científicos están un paso más cerca de desarrollar una cámara rápida y rentable que utiliza radiación de terahercios. potencialmente abriendo la oportunidad para que se utilicen en controles de seguridad y médicos no invasivos.

Un equipo de investigación dirigido por la profesora Emma Pickwell-MacPherson del Departamento de Física de la Universidad de Warwick y en la que participan científicos de la Universidad China de Hong Kong ha alcanzado un hito crucial en el desarrollo de tecnología de imágenes de terahercios de un solo píxel para su uso en aplicaciones biomédicas e industriales.

Su cámara de terahercios de un solo píxel alcanzó una adquisición 100 veces más rápida que el estado de la técnica anterior sin agregar costos significativos a todo el sistema ni sacrificar la resolución temporal de subpicosegundos necesaria para las aplicaciones más buscadas.

El avance ha sido publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los potenciales y problemas de la radiación de terahercios

Radiación de terahercios (THz), o rayos T, siéntese entre infrarrojos y WiFi en el espectro electromagnético. Los rayos T tienen propiedades diferentes de otras ondas electromagnéticas, más notablemente pueden ver a través de muchos materiales comunes como plásticos, cerámica y ropa, haciéndolos potencialmente útiles en inspecciones no invasivas. Otra cualidad es que los fotones de baja energía de los rayos T no son ionizantes, haciéndolos muy seguros en entornos biológicos, incluida la seguridad y los exámenes médicos. También son muy sensibles al agua y pueden observar cambios mínimos en el estado de hidratación de la materia biológica. Esto significa que las enfermedades que perturban el contenido de agua de la materia biológica, como el cáncer de piel, potencialmente se puede detectar usando rayos T in vivo sin ningún marcador histológico.

La detección y generación eficientes de rayos T ha sido posible en entornos de laboratorio durante los últimos 25 años. Sin embargo, La tecnología THz todavía no se usa ampliamente en entornos comerciales, ya que el costo, la robustez y / o la facilidad de uso todavía están rezagadas para la adopción comercial en entornos industriales.

Para aplicaciones biomédicas, se han realizado muy pocos ensayos clínicos, sobre todo debido a que el equipo no es fácil de usar y las imágenes son demasiado lentas debido a la necesidad de medir múltiples frecuencias de terahercios (para un diagnóstico preciso). Finalmente, los equipos y los costos de funcionamiento deben estar dentro de los presupuestos del hospital. Como resultado, mucha investigación sobre la tecnología de terahercios se centra actualmente en desarrollar el equipo para mejorar la velocidad de la imagen, sin reducir la precisión del diagnóstico ni incurrir en grandes costes. Como resultado, tenemos que explorar técnicas de imagen alternativas a las que se utilizan actualmente en los teléfonos inteligentes de hoy en día.

Las ventajas de las cámaras de un solo píxel

Profesora Emma Pickwell-MacPherson, del Departamento de Física de la Universidad de Warwick, dijo:"Usamos lo que se llama 'una cámara de un solo píxel' para obtener nuestras imágenes. En resumen, Modulamos espacialmente el haz de THz e iluminamos un objeto con esta luz. Luego, utilizando un detector de un solo elemento, registramos la luz que se transmite (o refleja) a través del objeto que queremos fotografiar. Seguimos haciendo esto para muchos patrones espaciales diferentes hasta que podamos reconstruir matemáticamente una imagen de nuestro objeto ".

Los investigadores tienen que seguir cambiando la forma del haz de THz muchas veces, lo que significa que este método suele ser más lento en comparación con las matrices de detectores de píxeles múltiples. Sin embargo, Las matrices de varios píxeles para el régimen de terahercios generalmente carecen de una resolución temporal de subpicosegundos, requieren temperaturas criogénicas para operar o incurrir en grandes costos de equipo (> 350 dólares 000). La configuración desarrollada por el equipo de Warwick, que se basa en un detector de un solo elemento, tiene un precio razonable (~ US $ 20, 000), robusto, tiene una resolución temporal de subpicosegundos (necesaria para un diagnóstico preciso) y funciona a temperatura ambiente.

El profesor Pickwell-MacPherson agrega:"Nuestro último trabajo mejora la tasa de adquisición de cámaras de terahercios de un solo píxel en un factor de 100 con respecto al estado de la técnica anterior, adquiriendo un video de 32x32 a 6 cuadros por segundo. Hacemos esto determinando en primer lugar la geometría de modulación óptima, en segundo lugar, modelando la respuesta temporal de nuestro sistema de imágenes para mejorar la relación señal-ruido, y en tercer lugar, reduciendo el número total de mediciones con técnicas de detección comprimidas. De hecho, parte de nuestro trabajo muestra que podemos alcanzar una tasa de adquisición cinco veces más rápida si tenemos una relación señal-ruido suficiente ".

Los investigadores han desarrollado previamente varios dispositivos THz, incluidos moduladores THz, que utilizan la geometría de reflexión interna total para lograr MD altos en un rango de frecuencia de banda ancha y un nuevo enfoque para la modulación de amplitud y fase que aprovecha el ángulo de Brewster. También están trabajando para mejorar la resolución de imágenes de THz de un solo píxel a través de enfoques de procesamiento de señales. El trabajo futuro se centrará en mejorar la relación señal-ruido y optimizar el software necesario para un diagnóstico médico preciso. con el objetivo final de utilizar imágenes de THz de un solo píxel para el diagnóstico de cáncer in vivo.