La cámara de rayos T

Unos científicos están un paso más cerca de desarrollar una cámara rápida y económica que utilizará la radiación en la banda del terahercio, permitiendo que pueda utilizarse en controles médicos y de seguridad no invasivos.

El equipo de investigación dirigido por la profesora Emma Pickwell-Macpherson del Departamento de Física de la Universidad de Warwick, en el que participan Rayko Ivanov Stantchev y científicos del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad China de Hong Kong, ha alcanzado un hito crucial en el desarrollo de una tecnología de imágenes en la banda del terahercio de un solo píxel, para su utilización en aplicaciones biomédicas e industriales.

Su cámara de un solo píxel en la banda del terahercio alcanzó una adquisición de imágenes 100 veces más rápida que la mejor cámara anterior, sin añadir ningún costo significativo a todo el sistema ni sacrificar la resolución temporal de subpicosegundos necesaria para las aplicaciones más solicitadas. El avance ha sido publicado en la revista Nature Communications.

La radiación en la banda del terahercio (THz), o rayos T, se encuentra en el espectro electromagnético entre el infrarrojo y el WiFi. Los rayos T tienen propiedades diferentes a las de otras ondas electromagnéticas, sobre todo porque pueden ver a través de muchos materiales comunes como plásticos, cerámica y ropa, lo que los hace potencialmente útiles en inspecciones no invasivas. Otra cualidad es que los fotones de baja energía de los rayos T no son ionizantes, lo que los hace muy seguros en entornos biológicos, incluidos los controles médicos y de seguridad. También son muy sensibles al agua y pueden observar cambios diminutos 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, pueden llegar a detectarse utilizando rayos T in vivo sin ningún marcador histológico.

La detección y generación eficiente de rayos T ha sido posible en laboratorios durante los últimos 25 años. Sin embargo, la tecnología THz todavía no se utiliza ampliamente en entornos comerciales, ya que el costo, su robustez y/o la facilidad de uso siguen atrasados para su adopción comercial en entornos industriales.

Configuración del equipo desarrollado para imágenes de un solo píxel con rayos T. (Foto: University of Warwick)

En cuanto a las aplicaciones biomédicas, se han realizado muy pocos ensayos clínicos, sobre todo debido a que el equipo no es fácil de usar y la obtención de imágenes es demasiado lenta debido a la necesidad de medir múltiples frecuencias de terahercios (para un diagnóstico preciso). Por último, es necesario que el equipo y los gastos de funcionamiento estén dentro de los presupuestos de los hospitales. En consecuencia, gran parte de la investigación sobre la tecnología se centra actualmente en el desarrollo del equipo para mejorar la velocidad de obtención de imágenes, sin reducir la precisión del diagnóstico ni incurrir en grandes costos. Como resultado de ello, es necesario explorar técnicas de imagen alternativas a las que ya se utilizan actualmente en los teléfonos inteligentes de hoy en día.

La profesora Emma Pickwell-Macpherson, del Departamento de Física de la Universidad de Warwick, dijo: "Utilizamos lo que se llama 'una cámara de un solo píxel' para obtener nuestras imágenes. En resumen, modulamos espacialmente el rayo de THz y hacemos brillar esta luz sobre un objeto. Luego, usando 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 podemos reconstruir matemáticamente una imagen de nuestro objeto".

Los investigadores tienen que cambiar continuamente la forma del haz de rayos T muchas veces, lo que significa que este método suele ser más lento comparado con los conjuntos de detectores de varios píxeles. Sin embargo, los conjuntos de múltiples píxeles para el régimen de los terahercios suelen carecer de una resolución temporal de subpicosegundos, requieren temperaturas criogénicas para funcionar o incurren en grandes gastos (más de 350.000 dólares). La configuración desarrollada por el equipo de Warwick, que se basa en un detector de un solo elemento, tiene un precio razonable (~20.000 dólares), es robusta, tiene una resolución temporal de sub-picosegundos (necesaria para un diagnóstico preciso) y funciona a temperatura ambiente.

La profesora Pickwell-Macpherson añade: "Nuestro último trabajo mejora la tasa de adquisición de las cámaras de rayos T de un solo píxel en un factor de 100 con respecto al anterior estado de la cuestión, siendo capaz de adquirir un vídeo de 32x32 a una velocidad de 6 cuadros por segundo. Lo hacemos, en primer lugar, determinando 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 suficiente relación señal-ruido". (Fuente: NCYT Amazings)