Les chercheurs ont développé une nouvelle approche d'imagerie térahertz qui, pour la première fois, peut acquérir des images de résolution à l'échelle du micron tout en conservant des approches informatiques conçues pour accélérer l'acquisition d'images. Cette combinaison pourrait permettre à l'imagerie térahertz d'être utile pour détecter le cancer de la peau à un stade précoce sans nécessiter une biopsie tissulaire du patient.

Les longueurs d'onde térahertz se situent entre les micro-ondes et la lumière infrarouge sur le spectre électromagnétique. La lumière dans cette région est idéale pour les applications biologiques car, contrairement aux rayons X, il ne transporte pas assez d'énergie pour endommager les tissus. D'autres recherches ont montré que les cellules cancéreuses de la peau absorbent plus fortement la lumière térahertz que les cellules saines, démontrant que l'imagerie térahertz peut être utile pour faire la distinction entre les tissus cancéreux et sains.

"Le cancer de la peau peut déjà être détecté à l'aide de la lumière térahertz, mais en raison de la faible résolution des approches d'imagerie actuelles, le cancer ne peut être vu qu'après avoir grossi assez, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche, Rayko Stanchev de l'Université d'Exeter, ROYAUME-UNI. "Idéalement, nous voulons détecter le cancer tôt, quand il est encore petit. Nous espérons que les images térahertz haute résolution, combiné avec la possibilité de prendre une image rapidement, pourrait éventuellement conduire à un appareil capable de détecter le cancer dans le cabinet du médecin. »

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, les chercheurs ont montré que leur approche en champ proche de l'imagerie térahertz peut atteindre une résolution spatiale d'environ neuf microns et est compatible avec les algorithmes de détection compressée et d'imagerie adaptative qui permettent une acquisition d'images trois fois plus rapide que les technologies conventionnelles.

En plus de ses avantages pratiques pour l'imagerie médicale, la recherche représente également une nouvelle façon de réaliser une imagerie térahertz à haute résolution. En imagerie conventionnelle, la résolution spatiale est limitée par la limite de diffraction, qui est déterminé par la longueur d'onde de la lumière utilisée. Bien que la plupart des techniques d'imagerie détectent la lumière diffusée à une certaine distance de l'objet à imager, les chercheurs ont surmonté la limite de diffraction en utilisant une configuration unique pour mesurer de près, ou en champ proche, interactions des ondes térahertz avec l'objet à imager. Leur approche a produit une résolution d'environ 1/45 de la longueur d'onde utilisée pour l'imagerie.

"C'est la première démonstration expérimentale, pour toute région spectrale, montrant que la détection compressée et l'imagerie adaptative peuvent être effectuées à des résolutions bien inférieures à la longueur d'onde de la lumière utilisée pour l'imagerie, " a déclaré Stanchev. " Montrer que cela est physiquement possible permettra aux ingénieurs et aux scientifiques de commencer à réfléchir au plein potentiel de cette approche. "

Imagerie térahertz sous-longueur d'onde

La principale innovation qui a rendu possible la nouvelle approche était un dispositif numérique à micromiroir (DMD), un ensemble de petits miroirs qui peuvent chacun être contrôlés par un ordinateur. Les chercheurs utilisent le DMD pour projeter un motif de lumière de 800 nm sur une plaquette de silicium, ce qui rend la plaquette opaque à la lumière térahertz dans les zones où la lumière de 800 nm frappe le silicium. Cela signifie que lorsqu'un faisceau térahertz traverse la plaquette, il crée un faisceau térahertz à motifs de l'autre côté de la plaquette qui peut ensuite interagir avec un objet en cours d'imagerie. Parce que le motif créé par le DMD est connu, un ordinateur peut reconstruire une image de l'objet sur la base de la lumière térahertz détectée.

Étant donné que les approches d'imagerie térahertz en champ proche sont généralement entravées par des vitesses d'acquisition lentes, les chercheurs ont conçu leur approche pour qu'elle soit compatible avec les algorithmes de détection compressée et d'échantillonnage adaptatif qui augmentent le taux d'imagerie. Ces algorithmes fonctionnent de manière similaire à la compression d'image, qui réduit la taille d'une image en se débarrassant de toutes les données non nécessaires pour percevoir visuellement une image. Les algorithmes de détection compressée et d'imagerie adaptative vont encore plus loin en ignorant les données inutiles pour commencer, accélérer l'imagerie en ne mesurant que les composants vitaux de l'image.

"Nous avons utilisé ces algorithmes pour déterminer quelles régions de la plaquette sont transparentes et quelles régions ne le sont pas, créant essentiellement des pixels, "                                                                                                                                                          . normalement, chaque pixel acquiert une mesure. Cependant, en créant de nombreux pixels transparents en une seule mesure, une image peut être acquise plus rapidement en prenant moins de mesures que le nombre de pixels."

Les chercheurs ont utilisé leur configuration pour imager une variété d'objets et ont montré que la méthode pouvait distinguer les bras d'une roue métallique espacés d'environ neuf microns.

Vers la praticité

"Pour notre configuration actuelle, nous devons utiliser un laser très intense pour rendre les plaquettes de silicium opaques, " a déclaré Stanchev. " Ce laser est très gros et cher, Donc, pour rendre cette approche pratique, nous devions trouver comment le faire en utilisant un laser beaucoup moins cher et plus petit. »

Stanchev travaille maintenant avec des chercheurs de l'Université chinoise de Hong Kong qui ont créé une configuration optique différente qui pourrait rendre les plaquettes de silicium opaques à l'aide d'un laser moins puissant. Les chercheurs travaillent maintenant ensemble pour voir si cette approche pourrait permettre d'acquérir des images térahertz sub-longueur d'onde à l'aide d'un laser qui coûte environ 200 $ au lieu de près de 400 $, 000 laser utilisé pour les travaux rapportés dans le Optique papier.

« C'est un pas vers la compatibilité de la technique avec les applications biologiques, " dit Stanchev. " Finalement, nous envisageons un appareil qui pourrait être utilisé dans le cabinet du médecin et qui révélerait rapidement la présence d'un cancer de la peau."